Az első bipoláris kereszteződésű tranzisztort 1947-ben találták fel a Bell laboratóriumaiban. A „két polaritás” rövidítése bipoláris, ezért a Bipolar Junction Transistor elnevezés. A BJT egy három terminálos készülék Collector (C), Base (B) és Emitter (E) csatlakozókkal. A tranzisztor termináljainak azonosításához szükség van egy adott BJT rész csapdiagramjára, ez elérhető lesz az adatlapon. Kétféle BJT létezik - NPN és PNP tranzisztor. Ebben az oktatóanyagban az NPN tranzisztorokról fogunk beszélni. Vegyük figyelembe az NPN tranzisztorok két példáját - BC547A és PN2222A, amelyeket a fenti képek mutatnak.
A gyártási folyamat alapján a csapok konfigurációja megváltozik, és a részletek a megfelelő adatlapon lesznek elérhetők. Amint a tranzisztor névleges teljesítménye növekszik, a szükséges hűtőbordát rögzíteni kell a tranzisztor testéhez. Az előfeszítetlen tranzisztor vagy a terminálokon alkalmazott potenciál nélküli tranzisztor hasonló két két diódához, amelyek egymáshoz vannak kapcsolva, az alábbi ábra szerint.
A D1 dióda fordítottan vezetõ tulajdonsággal rendelkezik a D2 dióda elõzetes vezetése alapján. Amikor egy áram folyik a D2 diódán, a D1 dióda érzékeli az áramot, és egy arányos áramnak megengedett az áramlása a kollektor terminálról az emitter terminálra fordított irányban, feltéve, hogy nagyobb a potenciál a kollektor terminálon. Az arányos állandó a Gain (β).
NPN tranzisztorok működése:
Amint fentebb említettük, a tranzisztor egy áram által vezérelt eszköz, amelynek két kimerítő rétege van, amelyek specifikus gátpotenciállal rendelkeznek a kimerítő réteg diffundálásához. A szilícium-tranzisztor gátlópotenciálja 0,7 V 25 ° C-on és 0,3 V 25 ° C-on germánium tranzisztornál. Az alkalmazott tranzisztorok többnyire szilícium típusúak, mivel a szilícium a földön a leggyakoribb elem az oxigén után.
Belső működés:
Az npn tranzisztor felépítése az, hogy a kollektor és az emitter régiókat n-típusú anyaggal, az alaprégiót pedig kis réteg p-típusú anyaggal adalékolják. Az emitter régió erősen adalékolt, összehasonlítva a kollektor régióval. Ez a három régió két csomópontot alkot. Ezek kollektor-alap csomópont (CB) és bázis-emitter csomópontok.
Amikor egy potenciális VBE-t alkalmaznak a Base-Emitter kereszteződésen, 0-ról növekszik, az elektronok és a lyukak a felhalmozási régióban kezdenek felhalmozódni. Amikor a potenciál 0,7 V fölé növekszik, eléri a gátfeszültséget és megtörténik a diffúzió. Ezért az elektronok a pozitív terminál felé áramolnak, és az alapáram (IB) ellentétes az elektronáramlással. Ezenkívül a kollektorról az emitterre áram áramlik, feltéve, hogy a VCE feszültséget a kollektor terminálján alkalmazzák. A tranzisztor kapcsolóként és erősítőként működhet.
Működési régió és működési mód:
1. Aktív régió, IC = β × IB - Erősítő működés
2. Telítettségi tartomány, IC = Telítettségi áram - Kapcsoló működése (Teljesen BE)
3. Levágási tartomány, IC = 0 - Kapcsoló működése (Teljesen KI)
Tranzisztor kapcsolóként:
A PSPICE modell magyarázatához a BC547A került kiválasztásra. Az első fontos dolog, amelyet figyelembe kell venni, hogy az alapkorlátkorlátozó ellenállást használja. A magasabb alapáramok károsítják a BJT-t. Az adatlapból a maximális kollektoráram 100mA, és ennek megfelelő erősítést adunk meg (hFE vagy β).
Az összetevők kiválasztásának lépései, 1. Keresse meg a kollektoráramot, a terhelés által fogyasztott áramot. Ebben az esetben 60mA (relétekercs vagy párhuzamos LED-ek) és ellenállás = 200 Ohm.
2. Ahhoz, hogy a tranzisztort telítettségi állapotba lehessen vezetni, elegendő bázisáramot kell táplálni, hogy a tranzisztor teljesen BE legyen kapcsolva. Az alapáram és a használandó megfelelő ellenállás kiszámítása.
A teljes telítettség érdekében az alapáram megközelítőleg 0,6 mA (nem túl magas vagy túl alacsony). Az alábbiakban látható a 0 V-tól az alapig tartó áramkör, amelynek során a kapcsoló KI állapotban van.
a) A BJT mint kapcsoló PSPICE szimulációja, és b) egyenértékű kapcsoló feltétel
Elméletileg a kapcsoló teljesen nyitva van, de gyakorlatilag szivárgási áramáram figyelhető meg. Ez az áram elhanyagolható, mivel pA-ban vagy nA-ban vannak. Az áramszabályozás jobb megértése érdekében a tranzisztort változó ellenállásnak tekinthetjük a kollektoron (C) és az emitteren (E) keresztül, amelynek ellenállása az alapon (B) átmenő áram függvényében változik.
Kezdetben, amikor az alapon keresztül nem áramlik áram, a CE-vel szembeni ellenállás nagyon magas, így nem áramlik rajta keresztül áram. Ha a bázis terminálon 0,7 V és annál nagyobb potenciál van alkalmazva, a BE csomópont diffundál, és a CB csomópont diffúzióját okozza. Most az erősítés alapján áram áramlik kollektorról emitterre.
a) A BJT mint kapcsoló PSPICE szimulációja, és b) egyenértékű kapcsoló feltétel
Most nézzük meg, hogyan lehet szabályozni a kimeneti áramot az alapáram vezérlésével. Figyelembe véve az IC = 42mA értéket és ugyanazt a fenti képletet követve az IB = 0,35mA értéket kapjuk; RB = 14,28 kOm ≈ 15 kOh.
a) A BJT mint kapcsoló PSPICE szimulációja, és b) egyenértékű kapcsoló feltétel
A gyakorlati érték eltérése a számított értéktől a tranzisztoron átmenő feszültségesés és az alkalmazott ellenállási terhelés miatt következik be.
Tranzisztor mint erősítő:
Az erősítés a gyenge jel átalakítása használható formává. Az erősítés folyamata számos alkalmazásban fontos lépés volt, mint például vezeték nélküli átvitt jelek, vezeték nélküli fogadott jelek, Mp3 lejátszók, mobiltelefonok stb.
Az erősítő áramkörökben használt konfigurációk közül néhány
- Közös emitter erősítő
- Közös kollektorerősítő
- Közös alaperősítő
A fenti típusok közül a gyakori emitter típus a népszerű és leginkább használt konfiguráció. A művelet aktív régióban történik, erre példaként szolgál az egyfokozatú közös emittererősítő áramkör. A stabil DC előfeszítési pont és a stabil AC erősítés fontos az erősítő tervezésénél. Az egyfokozatú erősítő neve, ha csak egy tranzisztort használnak.
Fent van egy egyfokozatú erősítő áramkör, ahol a bázis terminálon alkalmazott gyenge jelet a kollektor terminálján lévő tényleges jel β-szorosává alakítják.
Részcél:
A CIN az a kapcsoló kondenzátor, amely a bemenő jelet a tranzisztor aljához kapcsolja. Így ez a kondenzátor izolálja a forrást a tranzisztortól, és csak AC jelet enged át. A CE a bypass kondenzátor, amely az erősített jel alacsony ellenállási útjaként működik. A COUT az a kapcsoló kondenzátor, amely a tranzisztor kollektorából származó kimeneti jelet kapcsolja össze. Így ez a kondenzátor elszigeteli a kimenetet a tranzisztortól, és csak AC jelet enged át. R2 és RE biztosítja az erősítő stabilitását, míg R1 és R2 együttesen biztosítják a DC-előfeszítő pont stabilitását potenciális osztóként.
Művelet:
Az áramkör minden időintervallumra azonnal működik. Egyszerűen megérteni, amikor az alapkivezetés váltakozó feszültsége megnöveli az áram megfelelő növekedését az emitteres ellenálláson keresztül. Így az emitteráram növekedése megnöveli a tranzisztoron átáramló magasabb kollektoráramot, ami csökkenti a VCE kollektoremisszió csökkenését. Hasonlóképpen, amikor a bemenő váltakozó feszültség exponenciálisan csökken, a VCE feszültség növekszik az emitter áramának csökkenése miatt. Mindezek a feszültségváltozások azonnal tükröződnek a kimeneten, amely megfordítja a bemenet hullámalakját, de felerősíti azt.
|
Jellemzők |
Közös bázis |
Közös sugárzó |
Közös Gyűjtő |
|
Feszültségerősítés |
Magas |
Közepes |
Alacsony |
|
Jelenlegi nyereség |
Alacsony |
Közepes |
Magas |
|
Teljesítménynövekedés |
Alacsony |
Nagyon magas |
Közepes |
Táblázat: Nyereség-összehasonlító táblázat
A fenti táblázat alapján a megfelelő konfiguráció használható.