Tranzystory bipolarne: urządzenie, zasada działania, tryby działania i schematy połączeń

Elektronika jest bogata we wszelkiego rodzaju detale. Każdy z tych elementów spełnia określoną, przypisaną mu rolę. Tranzystor charakteryzuje się wszechstronnością i możliwością wykonywania różnych zadań. Aby zrozumieć, co odróżnia go od innych elementów radiowych, należy wziąć pod uwagę urządzenie i zasadę działania tranzystorów bipolarnych.

Struktura tranzystora

Tranzystor bipolarny należy do półprzewodników - materiałów przewodzących elektryczność gorzej niż przewodniki, ale też nie będących dielektrykami. Ale jeśli jego temperatura zostanie doprowadzona do zera absolutnego, staje się dielektrykiem. Z drugiej strony wraz ze wzrostem temperatury wzrasta przewodność urządzenia. To sprawia, że ​​jest podatny na przegrzanie. Wzrost przewodności zwiększa prąd, co może uszkodzić urządzenie.

Dla jasności jako przykład możemy przytoczyć diament (nieugięty). W warunkach naturalnych jest półprzewodnikiem, ale jeśli włożysz go do próżni lub gazu obojętnego i podgrzejesz, zamienia się w grafit, który jest dobrym przewodnikiem. Do celów przemysłowych materiały takie jak krzem, german i inne są szeroko stosowane do produkcji tranzystorów. Według użytego materiału

tranzystory to:

• german;
• krzem;
• arsenku galu.

Sam półprzewodnik jest bardzo wrażliwy na wpływy zewnętrzne (odkształcenia, promieniowanie i temperaturę), wady wewnętrzne i zanieczyszczenia. W warunkach naturalnych zachowuje się jak rezystor zmienny, którego rezystancja zmienia się wraz z temperaturą (stosowany do produkcji warystorów). Podczas dodawania zanieczyszczeń właściwości półprzewodnika zmieniają się dramatycznie i zamienia się on w przewodnik. Zanieczyszczenia dzielą się na:

• dawca;
• akceptor.

Donory, takie jak arsen, łatwo oddają swoje elektrony, przekształcając półprzewodnik w materiał naładowany ujemnie. Litera „p” służy do oznaczenia takiego materiału. Trójwartościowy ind jest typem akceptora. W połączeniu z krzemem, który ma wiązanie czterowartościowe, brakuje jednego elektronu, więc powstaje tak zwana „dziura”. Taki materiał jest oznaczony literą „p”.

Zastosowanie półprzewodników typu p i p

Gdy połączone są przewodniki różnych typów, powstaje między nimi złącze pn, dzięki czemu elektrony mogą poruszać się tylko w jednym kierunku. Łącząc obszar „p” z minusem zasilacza, a obszar „p” z plusem, można stworzyć bezpośrednie połączenie, w którym elektrony poruszają się swobodnie. Jeśli polaryzacja źródła jest odwrócona, to elektrony z obszaru elektronicznego trafią do źródła, a urządzenie zamknie się, ponieważ granica pn nie pozwoli elektronom przejść przez obszar dziury.

Element radiowy składający się z dwóch przeciwstawnych rodzajów przewodzenia nazywany jest diodą. Jego osobliwością jest to, że przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku i nie reguluje przepływu elektronów. Aby uzyskać tranzystor bipolarny, dodaj trzeci obszar „p” lub „p” - to odróżnia urządzenie tranzystora. W rezultacie otrzymuje się kryształ z trzema obszarami i dwoma złączami pn. Biorąc pod uwagę sposób, w jaki obszary następują po sobie, rozróżnij następujące typy:

• p-p-p;
• p-p-p.

Pierwszy obszar nazywa się emiterem, drugi (środkowy) to podstawa, a trzeci to kolektor. Podstawa zawsze ma przeciwny znak emitera i kolektora.

Przypisanie podstawy, kolektora i emitera

Podstawa kontroluje prąd między kolektorem a emiterem. Będzie jaśniej, jeśli tranzystor zostanie podzielony na dwie oddzielne sekcje: emiter - baza i baza - kolektor. Ponieważ podstawa znajduje się w środkowej części, otrzymujemy dwie diody skierowane do siebie (typ p-p-p) lub w przeciwnym kierunku (typ p-p-p). Ponieważ zasilacz jest podłączony do emitera i kolektora, a napięcie sterujące podawane jest na bazę, to jedna z diod jest połączona w przeciwnym kierunku, tj. Zamknięte. Prawie zawsze jest to przejście od podstawy do kolektora. Zadaniem bazy jest stopniowe otwieranie tego przejścia.

Najwięcej zanieczyszczeń trafia do obszaru emitera, ponieważ jest to wtryskiwacz lub generator głównych nośników. Z drugiej strony kolektor jest minimalnie rozcieńczony zanieczyszczeniami, aby nie przepuszczał prądu w stanie zamkniętym.

Baza musi spełniać rygorystyczne wymagania. Po pierwsze, szybkość działania tranzystora zależy bezpośrednio od grubości bazy - im cieńsza, tym wyższa prędkość. Po drugie, im cieńsza podstawa, tym niższe napięcie może być przyłożone do tranzystora, w przeciwnym razie nastąpi awaria elektryczna między emiterem a kolektorem.

Aby zrozumieć, jak działa tranzystor bipolarny, można podać przykład. Kran znajduje się poziomo. W pobliżu (wzdłuż kranu, a nie pod nim) znajduje się rynna, przez którą woda może płynąć w wybrane miejsce. Kiedy zaczynają otwierać kran, ciśnienie wody jest niewielkie, płynie pionowo, nie spadając na rynnę. Wraz z dalszym otwieraniem kranu ciśnienie będzie rosło, aż nadejdzie moment, w którym woda wpłynie do zasobnika.

Tak jak odległość między kranem a odpływem określa ciśnienie wody, które pomoże dotrzeć do rynny, tak grubość podstawy wpływa na napięcie nasycenia, po którym włącza się tranzystor. Oczywiście przykład jest szorstki i jest potrzebny tylko do zgrubnego zrozumienia zasady działania tranzystora. Ale to napięcie między emiterem a bazą będzie tym samym „odczepem”, który otwiera tranzystor.

Po uformowaniu się kryształu do każdego z jego obszarów przymocowane są metalowe wyprowadzenia, wszystko jest starannie izolowane i chronione przez obudowę. Istnieją nieopakowane i przezroczyste tranzystory, a także te przeznaczone do pracy z radiatorem.

Tryby i schematy połączeń

Dzięki rozwojowi nauki i techniki powstają nowe tranzystory mające na celu eliminację szkodliwych czynników. Należą do nich zarówno fizyczne (na przykład wióry i zanieczyszczenia), jak i elektryczne (odporność materiału). Wyeliminowanie takich wad prowadzi do wzrostu wydajności, zmniejszenia zużycia energii i szeregu innych zalet. Ale zadania tranzystorowe pozostają takie same:

• wzmocnienie sygnału;
• Pokolenie;
• przełączanie.

Przed rozbiciem każdego z tych zadań ważne jest, aby zrozumieć, jak działa tranzystor. Weźmy na przykład tranzystor typu pnp. Plus jest podłączony do emitera, a minus do kolektora. Takie włączenie nazywa się normalnym, przeciwieństwo nazywa się odwrotnym. Emiter jest nasycony dziurami, które w rzeczywistości są atomami, które nie mogą się poruszać, ponieważ brakuje im elektronów. Zwiększa się obszar, w którym nie ma wystarczającej liczby elektronów. W kolektorze natomiast występuje przesycenie elektronów.

Baza staje się izolatorem między tymi obszarami, ponieważ znajdujące się w niej elektrony przechodzą przez emiter do źródła zasilania. Gdy na podstawie pojawi się napięcie ujemne, elektrony stopniowo zamieniają go w przewodnik. Prowadzi to do tego, że tranzystor otwiera się i między emiterem a kolektorem pojawia się prąd. Z tego możemy wywnioskować, że tryby pracy tranzystora - stan zamknięty, stan nasycenia i stan otwarty - są całkowicie zależne od napięcia na bazie.

Następną rzeczą, na którą musisz zwrócić uwagę, jest używany schemat połączenia. Weźmy na przykład baterię i żarówkę. Każdy z tych elementów ma dwa wyjścia, czyli są ich cztery. Ta zasada dotyczy prądu stałego (impulsowego). Tranzystor jest konwerterem, czyli ma wejście i wyjście. W takim przypadku powinien mieć nie trzy, ale cztery piny. W praktyce jednak zwykle ma trzy wnioski. Okazuje się, że jeden z jego wniosków powinien być wspólny dla wejścia i wyjścia. Na tej podstawie są następujące typy połączeń:

• ze wspólnym emiterem (występuje wzrost napięcia i prądu, jest używany częściej niż inne typy);
• ze wspólną podstawą (wzmacnia tylko prąd, rzadko używany);
• ze wspólnym kolektorem (wzmacnia napięcie, często używany do dopasowania stopni o różnych rezystancjach).

Obszar zastosowań

Tranzystor służy do wzmacniania ciągłych sygnałów o różnych kształtach w obwodach analogowych. Najlepszym przykładem jest mowa ludzka. Szum łatwo wplata się w takie sygnały, a do ich eliminacji stosuje się filtry. Obwody analogowe są przeciwieństwem dyskretnych sygnałów cyfrowych.

W obwodzie oscylatora tranzystor generuje sygnały o różnych kształtach. Na przykład w telewizji generatory tranzystorowe umożliwiają tworzenie częstotliwości pośredniej, z którą przesyłane są wideo i dźwięk. W samych telewizorach takie generatory pomagają tworzyć obraz na ekranie, ustawiając częstotliwość według linii i ramki.

W obwodach przełączających należy szybko odłączyć i podłączyć obciążenie, wykonując zadanie przekaźnika, na przykład łącząc mocniejsze tyrystory, styczniki itp. Szczególnie rygorystyczne wymagania stawiane są obwodom z obciążeniami bezwładnymi w postaci indukcyjności. Służą do wzmacniania sygnałów cyfrowych w komputerach i innym sprzęcie.

W dzisiejszych czasach tranzystory prawie całkowicie zastąpiły lampy próżniowe. Urządzenia te mają szereg zalet, m.in. należy wyróżnić:

• mały rozmiar;
• lżejsza produkcja, co prowadzi do niższych kosztów;
• do sterowania potrzebne jest znacznie mniejsze napięcie;
• nie wymagają rozgrzewania, co prowadzi do mniejszego zużycia energii i skrócenia czasu ustawiania;
• wysoka odporność na naprężenia mechaniczne;
• zwiększona żywotność.

Do produkcji tranzystorów używa się dziś najlepszych materiałów. Niektóre metale (na przykład german) zostały już porzucone w produkcji urządzeń. Ale nawet współczesne tranzystory mają swoje wady i ograniczenia. Do nich obejmują następujące elementy:

• urządzenia krzemowe nie mogą działać przy napięciach powyżej 1 kV;
• tworzenie potężnych nadajników wymaga bardzo złożonej koordynacji;
• silna wrażliwość na promieniowanie i zakłócenia elektromagnetyczne.

Ostatnie wydarzenia zbliżyły się do rozwiązania wielu problemów. Ponadto dzisiaj ujawniają się nowe możliwości i kierunki wykorzystania urządzeń bipolarnych.