Přehled bipolárních tranzistorů NPN a PNP: typy a klasifikace, konstrukce, princip činnosti

Bipolární tranzistor je jedním z nejstarších, ale nejznámějších typů tranzistorů a stále se používá v moderní elektronice. Tranzistor je nepostradatelný, když potřebujete ovládat poměrně výkonnou zátěž, pro kterou řídicí zařízení nemůže poskytnout dostatečný proud. Přicházejí v různých typech a kapacitách v závislosti na prováděných úkolech. Základní znalosti a vzorce o tranzistorech naleznete v tomto článku. úvod Před zahájením lekce se dohodneme, že diskutujeme pouze o jednom způsobu zapnutí tranzistoru. Tranzistor lze použít v zesilovači nebo přijímači a obvykle se každý model tranzistoru vyrábí s určitými charakteristikami, aby byl více specializovaný, aby fungoval lépe v konkrétní aplikaci. Tranzistor má 3 vývody: báze, kolektor a emitor. Nelze jednoznačně říci, který z nich je vstupem a který výstupem, protože všechny spolu souvisí a tak či onak se ovlivňují. Když je tranzistor zapnut ve spínacím režimu (řízení zátěže), chová se takto: proud báze řídí proud z kolektoru do emitoru nebo naopak, v závislosti na typu tranzistoru. Existují dva hlavní typy tranzistorů: NPN a PNP. Abychom to pochopili, můžeme říci, že hlavním rozdílem mezi těmito dvěma typy je směr elektrického proudu. To je vidět na obrázku 1.A, kde je vyznačen směr proudu. U NPN tranzistoru teče jeden proud z báze do tranzistoru a druhý proud teče z kolektoru do emitoru, ale u PNP tranzistoru je tomu naopak. Z funkčního hlediska je rozdílem mezi těmito dvěma typy tranzistorů napětí na zátěži. Jak můžete vidět na obrázku, NPN tranzistor poskytuje 0V, když je zapnutý, a PNP poskytuje 12V. Později pochopíte, proč to ovlivňuje výběr tranzistoru. Pro jednoduchost budeme studovat pouze NPN tranzistory, ale to vše platí pro PNP s přihlédnutím k tomu, že všechny proudy jsou obrácené. Obrázek níže ukazuje analogii mezi spínačem (S1) a tranzistorovým spínačem, kde je vidět, že proud báze uzavírá nebo otevírá cestu pro proud z kolektoru do emitoru: Pokud přesně znáte vlastnosti tranzistoru, můžete z něj vytěžit maximum. Hlavním parametrem je stejnosměrné zesílení tranzistoru, které se obvykle označuje H_fe nebo β. Důležité je také znát maximální proud, výkon a napětí tranzistoru. Tyto parametry najdeme v dokumentaci k tranzistoru a pomohou nám určit hodnotu základního odporu, která je popsána níže. Použití tranzistoru NPN jako spínače Obrázek ukazuje zařazení tranzistoru NPN jako spínače. S tímto zařazením se velmi často setkáte při rozborech různých elektronických obvodů. Nastudujeme si, jak provozovat tranzistor ve zvoleném režimu, vypočítat základní odpor, proudové zesílení tranzistoru a odpor zátěže. Navrhuji nejjednodušší a nejpřesnější způsob, jak toho dosáhnout. 1. Předpokládejme, že tranzistor je v saturačním režimu: V tomto případě se matematický model tranzistoru stává velmi jednoduchým a známe napětí v bodě V_c. Najdeme hodnotu základního odporu, při které bude vše správně. 2. Stanovení saturačního proudu kolektoru: Napětí mezi kolektorem a emitorem (V_ce) převzato z dokumentace tranzistoru. Emitor je připojen na GND, respektive V_ce= V_c – 0 = V_c. Jakmile tuto hodnotu známe, můžeme vypočítat saturační proud kolektoru pomocí vzorce:
Někdy odpor zatížení R_L odpor cívky relé není znám nebo nemůže být přesný; V tomto případě stačí znát proud potřebný ke spuštění relé.
Ujistěte se, že zatěžovací proud nepřekračuje maximální kolektorový proud tranzistoru. 3. Výpočet požadovaného základního proudu: Když znáte kolektorový proud, můžete vypočítat minimální požadovaný základní proud k dosažení tohoto kolektorového proudu pomocí následujícího vzorce:

Z toho vyplývá, že:
4. Překročení přípustných hodnot: Poté, co jste vypočítali základní proud, a pokud se ukáže, že je nižší, než je uvedeno v dokumentaci, můžete tranzistor přetížit vynásobením vypočteného proudu báze, například 10krát. Tranzistorový spínač tak bude mnohem stabilnější. Jinými slovy, výkon tranzistoru se sníží, pokud se zatížení zvýší. Dávejte pozor, abyste nepřekročili maximální základní proud uvedený v dokumentaci. 5. Výpočet požadované hodnoty R_b: Při 10násobném přetížení odpor R_b lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

kde v₁ je řídicí napětí tranzistoru (viz obrázek 2.a) Ale pokud je emitor připojen k zemi a napětí báze-emitor je známé (asi 0,7 V pro většinu tranzistorů), a také za předpokladu, že V₁ = 5V, vzorec lze zjednodušit do následující podoby:
Je vidět, že základní proud se násobí 10 s ohledem na přetížení.
Když hodnota R_b Je známo, že tranzistor je „nakonfigurován“ tak, aby fungoval jako spínač, což se také nazývá „režim saturace a přerušení“, kde „saturace“ je, když je tranzistor plně otevřen a vede proud, a „cutoff“ je, když je uzavřený a nevede proud. Poznámka: Když říkáme , neříkáme, že kolektorový proud musí být roven . To jednoduše znamená, že kolektorový proud tranzistoru může stoupnout na tuto úroveň. Proud se bude řídit Ohmovými zákony, stejně jako jakýkoli elektrický proud. Výpočet zatížení Když jsme uvážili, že tranzistor je v saturačním režimu, předpokládali jsme, že se některé jeho parametry nezměnily. Není to tak úplně pravda. Ve skutečnosti byly tyto parametry změněny především zvýšením kolektorového proudu, a proto je bezpečnější pro přetížení. Dokumentace uvádí změnu parametrů tranzistoru při přetížení. Například tabulka na obrázku 2.B ukazuje dva parametry, které se výrazně mění: H_FE (β) se mění s kolektorovým proudem a napětím V_CEsat. Ale V_CEsat se mění v závislosti na proudu kolektoru a báze, jak ukazuje tabulka níže. Výpočet může být velmi složitý, protože všechny parametry spolu úzce a komplexně souvisejí, takže je lepší brát nejhorší hodnoty. Tito. nejmenší H_FE, největší V_CEsat a V_CEsat. Typické použití tranzistorového spínače 1. Ovládání relé V moderní elektronice se k ovládání elektromagnetických relé používá tranzistorový spínač, který odebírá až 200 mA. Pokud chcete ovládat relé s logickým čipem nebo mikrokontrolérem, pak je tranzistor nepostradatelný. Na obrázku 3.A je odpor základního odporu vypočten v závislosti na proudu požadovaném relé. Dioda D1 chrání tranzistor před impulsy, které cívka generuje při vypnutí. 2. Připojení tranzistoru s otevřeným kolektorem: Mnoho zařízení, jako je rodina mikrokontrolérů 8051, má porty s otevřeným kolektorem. Odpor základního odporu externího tranzistoru se vypočítá podle popisu v tomto článku. Všimněte si, že porty mohou být složitější a často používají FET místo bipolárních a nazývají se výstupy s otevřeným odtokem, ale vše zůstává úplně stejné jako na obrázku 3.B 3. Vytvoření logického prvku OR-NOT (NOR): Někdy potřebujete použít jediné hradlo v obvodu a nechcete použít 14pinový 4branový čip, ať už kvůli ceně nebo prostoru na desce. Lze jej nahradit dvojicí tranzistorů. Všimněte si, že frekvenční charakteristiky takových prvků závisí na vlastnostech a typu tranzistorů, ale obvykle jsou pod 100 kHz. Snížení výstupního odporu (Ro) zvýší spotřebu energie, ale zvýší výstupní proud.
Mezi těmito parametry je třeba najít kompromis. Obrázek výše ukazuje bránu NOR postavenou pomocí 2 tranzistorů 2N2222. To lze provést pomocí tranzistorů PNP 2N2907 s drobnými úpravami. Jen musíte vzít v úvahu, že všechny elektrické proudy pak tečou opačným směrem. Hledání chyb v tranzistorových obvodech Když se vyskytne problém v obvodech obsahujících mnoho tranzistorů, může být docela obtížné zjistit, který z nich je špatný, zvláště když jsou všechny zapájeny. Dám vám několik tipů, které vám pomohou rychle najít problém v takovém schématu: 1. Teplota: Pokud se tranzistor velmi zahřeje, je pravděpodobně někde problém. Není nutné, aby byl problém horký tranzistor. Obvykle se vadný tranzistor ani nezahřeje. Toto zvýšení teploty může být způsobeno jiným tranzistorem, který je k němu připojen. 2. Měření V_CE tranzistory: Pokud jsou všechny stejného typu a všechny fungují, pak by měly mít přibližně stejné VCE. Hledejte tranzistory s různým V_CE Jedná se o rychlý způsob, jak odhalit vadné tranzistory. 3. Měření napětí na základním rezistoru: Napětí na základním rezistoru je docela důležité (pokud je tranzistor zapnutý). Pro budič tranzistoru 5V NPN by měl být úbytek napětí na rezistoru větší než 3V. Pokud na rezistoru nedojde k žádnému poklesu napětí, je vadný buď tranzistor, nebo řídicí zařízení tranzistoru. V obou případech je základní proud 0. Původní článek

Tagy:

Shpakunov A. Publikováno: 2012 0 1

Odměna, kterou jsem nasbíral 0 0

Ohodnoťte tento článek

• Technická gramotnost

Bipolární tranzistor (BJT) je třísvorková proudově řízená polovodičová elektronická součástka, která má schopnost zesilovat stejnosměrné a střídavé signály, takže každý tranzistor patří do rodiny komponent zesilovače, které zvládnou velké množství energie při použití nastavení nízkého výkonu. .

Co jsou to bipolární tranzistory a jak fungují?

Existují 2 typy BJT: bipolární tranzistor PNP a NPN. Elektrody těchto zařízení mají tyto názvy: kolektor (drain), báze (gate) a emitor (zdroj). Nejčastěji se používají křemíkové Si tranzistory (prahové napětí VT = 0,6 – 0,7 V), méně často – germanium Ge (VT = 0,2 – 0,3 V). BJT se používají téměř všude: od zesilovačů, oscilátorů, systémů přepínání napájení až po počítače a pokročilejší zařízení.

Hlavním rozdílem mezi bipolárními tranzistory PNP a jejich analogy NPN je schopnost ovládat velký proud při použití malého. Na základě typu pracovního bodu lze BJT používat ve čtyřech provozních režimech:

1. Režim cut-off – přechod mezi hradlem a zdrojem nemá vůbec žádné předpětí nebo je předpětí provedeno v opačném směru. Hodnoty aktuálních kolektorů jsou velmi malé.
2. Aktivní režim – Spojení hradlo-zdroj je vychýleno dopředu a přechod hradlo-odvod je obráceno. Zde stojí za zmínku, že není dovoleno překračování přechodového napětí (křemíkové nebo germaniové diody), což je spojeno s nadměrným průtokem proudu hradlem a možným poškozením tranzistoru.
3. Invertovaný režim – spojení hradlo-zdroj je obráceno a spojení hradlo-odvod je předpětí. Aktuální zisk je malý.
4. Režim saturace je, když napětí mezi kolektorem a zdrojem klesne na malou hodnotu a proud báze je tak vysoký, že jej kolektorový obvod již nemůže zesílit.

Sekce tranzistorového obvodu lze v případě potřeby použít pro různé účely. Zesilovací funkce zařízení se uplatňuje v oblasti přímého působení a používá se k vybudování systému, který bude zesilovat proud. Funkce přepínání využívá přechod mezi saturační oblastí (zapnuto) a hraniční oblastí (vypnuto). Používá se v digitálních a pulzních systémech.

Každý bipolární tranzistor NPN PNP má limitní charakteristické hodnoty:

• VEB0max – zpětné zkreslení špičky hradla;
• VCB0max – zpětné předpětí brány-odtok;
• VCE0max – limit dopředného zkreslení zdroje brány;
• ICmax – špičkový odtokový proud;
• IBmax – limit základního proudu.

Operační systémy bipolárních tranzistorů

Systém společného emitoru. Zesílené vstupní napětí je umístěno mezi hradlem a kolektorem, zatímco zesílený parametr je brán mezi kolektorem a zdrojem. Napěťové zesílení tohoto obvodu se blíží jednotce, takže výstup zesilovače přijímá „opakující se“ napětí ze vstupu, odtud druhý společný název pro tento zesilovač – emitor.

Společný základní systém. Zesílené napětí vstupního signálu je umístěno mezi hradlem a zdrojem, zatímco signál je po zesílení přijímán mezi hradlem a kolektorem.

Společný kolektorový systém. Zesílené napětí vstupního signálu je umístěno mezi hradlem a zdrojem, zatímco signál po zesílení je přijímán mezi mozkem a zdrojem. V tomto případě je emitorová elektroda pro vstupní a výstupní signály zcela „obyčejná“ – odtud název systému.

Spínací funkce bipolárních tranzistorů

Komplementární bipolární tranzistory jsou vhodné pro aplikace spínacích zařízení. Princip jejich činnosti je založen na dvou provozních stavech: cutoff a saturace. Vlivem signálu (napětí) se elektronická součástka aktivuje a přechází ze stavu cutoff přes aktivní stav do saturace. Když řídicí napětí zmizí, tranzistor se vrátí do stavu cutoff. Ve vypnutém stavu má tranzistor velmi vysoký odpor, takže nepropustí žádný signál (to lze považovat za otevřený obvod). Když je však tranzistor nasycený, má nízký odpor a situace je obrácená.

Ideální tranzistorový spínač by měl měnit stavy téměř okamžitě a mít velmi strmou (vertikální) přechodovou odezvu a doba sepnutí by měla být nulová.

Existují způsoby, jak výrazně urychlit proces přepínání BJT. Chcete-li to provést, musíte snížit odpor základního odporu tranzistoru nebo připojit paralelní kapacitu k základnímu odporu tranzistoru. Tím se eliminuje integrační efekt a zkracuje se doba sepnutí tranzistoru.

Bázi a kolektor tranzistoru můžete propojit i přes germaniovou diodu (takový spínač se stává kvazi saturovaným), která se vyznačuje vyšší hodnotou saturace a kratší dobou sepnutí. Nevýhodou tohoto systému je vyšší napětí při minimálním stavu, protože nedochází k saturaci.

Mikrovlnné bipolární tranzistory

Mikrovlnný bipolární tranzistor je nelineární radioelektronická součástka, nejčastěji křemíku typu NPN, pracující na frekvencích do 5 GHz. Tranzistorové geometrie jsou charakterizovány jako interdigitované, superponované a maticové. Tyto geometrie mají velkou plochu emitoru pro překonání omezení doby přenosu.

Propojená geometrie se používá pro nízkoproudé obvody s nízkým výkonem, zatímco typy patch a matrix se používají pouze pro obvody s nízkým výkonem. Pro vysokofrekvenční aplikace je preferována struktura NPN, protože mobilita elektronů je vyšší než mobilita díry. Difúze a iontová implantace jsou běžné metody výroby tranzistorů.

Epitaxní vrstva N se pěstuje na křemíkovém substrátu N+ s nízkým měrným odporem, oblast P difunduje a tvoří základnu a vrstva N± difunduje přes oblast P a tvoří emitor. Křemíkový substrát funguje jako kolektor.