Bipolární tranzistory: zařízení, princip činnosti, režimy činnosti a schémata zapojení

Elektronika je bohatá na všechny druhy detailů. Každý z těchto prvků plní specifickou roli, která mu byla přidělena. Tranzistor se vyznačuje svou všestranností a schopností plnit různé úkoly. Abychom pochopili, co jej odlišuje od jiných rádiových komponent, je nutné zvážit zařízení a princip fungování bipolárních tranzistorů.

Struktura tranzistoru

Bipolární tranzistor patří mezi polovodiče - materiály, které vedou elektřinu hůře než vodiče, ale nejsou ani dielektriky. Ale pokud se jeho teplota dostane na absolutní nulu, stane se dielektrikem. Na druhou stranu se stoupající teplotou se zvýší vodivost zařízení. Díky tomu je náchylný k přehřátí. Zvýšení vodivosti zvyšuje proud, který může poškodit zařízení.

Pro názornost můžeme jako příklad uvést diamant (adamant). V přírodních podmínkách je to polovodič, ale pokud ho dáte do vakua nebo inertního plynu a zahřejete, změní se na grafit, což je dobrý vodič. Pro průmyslové účely se pro výrobu tranzistorů hojně využívají materiály jako křemík, germanium a další. Podle použitého materiálu

tranzistory jsou:

• germanium;
• křemík;
• arsenid gallia.

Samotný polovodič je velmi citlivý na vnější vlivy (deformace, záření a teplota), vnitřní vady a nečistoty. V přirozených podmínkách se chová jako proměnný rezistor, jehož odpor se mění s teplotou (používá se k výrobě varistorů). Při přidávání nečistot se vlastnosti polovodiče dramaticky mění a mění se ve vodič. Nečistoty se dělí na:

• dárce;
• akceptor.

Dárci, jako je arsen, snadno darují své elektrony a přeměňují polovodič na záporně nabitý materiál. Písmeno "p" se používá k označení takového materiálu. Trivalentní indium je akceptorový typ. Při spojení s křemíkem, který má čtyřmocnou vazbu, chybí jeden elektron, takže vzniká tzv. „díra“. Takový materiál je označen písmenem "p".

Použití polovodičů typu p a p

Při spojení vodičů různých typů se mezi nimi vytvoří pn přechod, díky kterému se elektrony mohou pohybovat pouze jedním směrem. Připojením oblasti "p" k mínusu napájecího zdroje a oblasti "p" ke plusu můžete vytvořit přímé spojení, ve kterém se elektrony volně pohybují. Pokud je polarita zdroje obrácená, pak elektrony z oblasti elektroniky půjdou ke zdroji a zařízení se uzavře, protože hranice pn nedovolí elektronům projít oblastí díry.

Rádiový prvek sestávající ze dvou opačných typů vedení se nazývá dioda. Jeho zvláštností je, že prochází proud pouze jedním směrem a nereguluje tok elektronů. Chcete-li získat bipolární tranzistor, přidejte třetí oblast "p" nebo "p" - to je to, co odlišuje zařízení tranzistoru. V důsledku toho se získá krystal se třemi oblastmi a dvěma pn přechody. S přihlédnutím k tomu, jak na sebe oblasti navazují, rozlišujte následující typy:

• p-p-p;
• p-p-p.

První oblast se nazývá emitor, druhá (uprostřed) je základna a třetí je kolektor. Báze má vždy opačné znaménko emitoru a kolektoru.

Přiřazení báze, kolektoru a emitoru

Základna řídí proud mezi kolektorem a emitorem. Jasnější bude, pokud se tranzistor rozdělí na dvě samostatné sekce: emitor - báze a báze - kolektor. Vzhledem k tomu, že základna je ve střední části, získáme dvě diody nasměrované k sobě (typ p-p-p) nebo v opačném směru (typ p-p-p). Vzhledem k tomu, že zdroj je připojen k emitoru a kolektoru a řídicí napětí je přivedeno na bázi, pak je jedna z diod zapojena v opačném směru, tzn. Zavřeno. Téměř vždy se jedná o přechod od základny ke kolektoru. Úkolem základny je postupně tento průchod otevřít.

Nejvíce všech nečistot se přidává do oblasti emitoru, protože je to injektor nebo generátor hlavních nosičů. Kolektor je naopak minimálně ředěn nečistotami, aby v sepnutém stavu neprocházel proud.

Základna musí splňovat přísné požadavky. Za prvé, jak rychle tranzistor pracuje, závisí přímo na tloušťce báze - čím tenčí je, tím vyšší je rychlost. Za druhé, čím tenčí je báze, tím nižší napětí může být aplikováno na tranzistor, jinak dojde k elektrickému průrazu mezi emitorem a kolektorem.

Abychom pochopili, jak funguje bipolární tranzistor, můžeme uvést příklad. Vodovodní kohoutek je umístěn vodorovně. Nedaleko (podél toku kohoutku a ne pod ním) je žlab, kterým může voda jít na požadované místo. Když začnou otevírat kohoutek, tlak vody je malý, teče svisle, aniž by spadla na okap. S dalším otevíráním kohoutku se bude tlak zvyšovat, dokud nenastane okamžik, kdy voda vstoupí do misky.

Stejně jako vzdálenost mezi kohoutkem a odtokem určuje tlak vody, který pomůže dosáhnout okapu, tak tloušťka báze ovlivňuje saturační napětí, po kterém se tranzistor zapne. Příklad je samozřejmě hrubý a je potřeba pouze pro hrubé pochopení principu činnosti tranzistoru. Ale právě napětí mezi emitorem a bází bude tím samotným „kohoutem“, který tranzistor otevře.

Po vytvoření krystalu jsou ke každé jeho oblasti připevněny kovové vývody, vše je pečlivě izolováno a chráněno pouzdrem. Existují nezabalené a průhledné tranzistory, stejně jako ty, které jsou určeny pro práci s radiátorem.

Režimy a schémata zapojení

Díky rozvoji vědy a techniky jsou vyvíjeny nové tranzistory zaměřené na eliminaci škodlivých faktorů. Patří mezi ně jak fyzické (například třísky a nečistoty), tak elektrické (odpor materiálu). Odstranění těchto nevýhod vede ke zvýšení výkonu, snížení spotřeby energie a řadě dalších výhod. Ale úlohy tranzistoru zůstat stejný:

• zesílení signálu;
• generace;
• přepínání.

Než rozebereme každý z těchto úkolů, je důležité pochopit, jak tranzistor funguje. Vezměte si jako příklad tranzistor typu pnp. Plus je připojen k emitoru a mínus ke kolektoru. Takové inkluzi se říká normální, opak se nazývá inverzní. Emitor je nasycený dírami, což jsou vlastně atomy, které se nemohou pohybovat, protože jim chybí elektrony. Zvětšuje se oblast, ve které není dostatek elektronů. V kolektoru naopak dochází k přesycení elektronů.

Báze se stává izolantem mezi těmito oblastmi, protože elektrony v ní procházejí emitorem ke zdroji energie. Když se na bázi objeví záporné napětí, elektrony jej postupně přemění na vodič. To vede k tomu, že se tranzistor otevře a mezi emitorem a kolektorem se objeví proud. Z toho můžeme usoudit, že provozní režimy tranzistoru - zavřený stav, saturace a otevřený stav - jsou zcela závislé na napětí na bázi.

Další věc, kterou musíte věnovat pozornost, je použité schéma připojení. Vezměme si jako příklad baterii a žárovku. Každý z těchto prvků má dva výstupy, to znamená, že jsou čtyři. Toto pravidlo platí pro stejnosměrný (pulzní) proud. Tranzistor je převodník, jinými slovy má vstup a výstup. V tomto případě by neměl mít tři, ale čtyři kolíky. V praxi má však obvykle tři závěry. Ukazuje se, že jeden z jeho závěrů by měl být společný pro vstup i výstup. Na základě toho existují následující typy připojení:

• se společným emitorem (dochází ke zvýšení napětí a proudu, používá se častěji než jiné typy);
• se společnou bází (zesiluje pouze proud, zřídka se používá);
• se společným kolektorem (zesiluje napětí, často se používá k přizpůsobení stupňů s různými odpory).

Oblast použití

Tranzistor se používá k zesílení spojitých signálů různých tvarů v analogových obvodech. Lidská řeč je toho zářným příkladem. Šum se do takových signálů snadno vetkává a k jejich eliminaci se používají filtry. Analogové obvody jsou opakem diskrétních digitálních signálů.

V obvodu oscilátoru tranzistor generuje signály různých tvarů. Například v televizi vám tranzistorové generátory umožňují vytvořit mezifrekvenci, se kterou se přenáší video a zvuk. V samotných televizorech takové generátory pomáhají vytvářet obraz na obrazovce a nastavují frekvenci podle řádku a snímku.

Ve spínacích obvodech musíte rychle odpojit a připojit zátěž, provést úlohu relé, například připojit výkonnější tyristory, stykače atd. Zvláště přísné požadavky jsou kladeny na obvody s inertní zátěží ve formě indukčnosti. Používají se k zesílení digitálních signálů v počítačích a dalších zařízeních.

V dnešní době tranzistory téměř úplně nahradily elektronky. Tato zařízení mají řadu výhod, např je třeba zdůraznit:

• malá velikost;
• lehčí výroba, která vede k nižším nákladům;
• k ovládání je potřeba mnohem menší napětí;
• nevyžadují zahřívání, což vede k nižší spotřebě energie a kratší době nastavení;
• vysoká odolnost proti mechanickému namáhání;
• zvýšená životnost.

Pro výrobu tranzistorů se dnes používají ty nejlepší materiály. Od některých kovů (například germanium) se již při výrobě přístrojů upustilo. Ale i moderní tranzistory mají své nevýhody a omezení. Jim zahrnout následující:

• křemíková zařízení nemohou pracovat při napětí nad 1 kV;
• vytvoření výkonných vysílačů vyžaduje velmi složitou koordinaci;
• vysoká citlivost na záření a elektromagnetické rušení.

Nedávný vývoj se přiblížil řešení mnoha problémů. Kromě toho se dnes odhalují nové příležitosti a směry pro použití bipolárních zařízení.