První bipolární spojovací tranzistor byl vynalezen v roce 1947 v laboratořích Bell. „Dvě polarity“ je zkráceno jako bipolární, proto název bipolární spojovací tranzistor. BJT je zařízení se třemi terminály s kolektorem (C), základnou (B) a vysílačem (E). Identifikace svorek tranzistoru vyžaduje pinový diagram konkrétní části BJT, bude k dispozici v datovém listu. Existují dva typy tranzistorů BJT - NPN a PNP. V tomto tutoriálu si povíme o NPN tranzistorech. Zvažme dva příklady tranzistorů NPN - BC547A a PN2222A, které jsou uvedeny na obrázcích výše.
Na základě procesu výroby se změní konfigurace kolíků a podrobnosti budou k dispozici v odpovídajícím datovém listu. Jak se zvyšuje výkon tranzistoru, je třeba k tělu tranzistoru připojit nezbytný chladič. Nestranný tranzistor nebo tranzistor bez potenciálu aplikovaného na svorky je podobný dvěma diodám připojeným zády k sobě, jak je znázorněno na obrázku níže.
Dioda D1 má vlastnost zpětného vedení na základě dopředného vedení diody D2. Když proud protéká diodou D2, dioda D1 snímá proud a proporcionální proud bude moci protékat v opačném směru z terminálu kolektoru na terminál emitoru, pokud je na terminál kolektoru aplikován vyšší potenciál. Proporcionální konstanta je zisk (β).
Práce NPN tranzistorů:
Jak bylo diskutováno výše, tranzistor je proudově řízené zařízení, které má dvě vrstvy vyčerpání se specifickým bariérovým potenciálem potřebným k difúzi vrstvy vyčerpání. Bariérový potenciál pro křemíkový tranzistor je 0,7 V při 25 ° C a 0,3 V při 25 ° C pro germánský tranzistor. Obvykle se používá běžný typ tranzistoru křemíkového typu, protože křemík je po kyslíku nejhojnějším prvkem na Zemi.
Interní provoz:
Konstrukce tranzistoru NPN je, že kolektorem a emitorem oblasti jsou dotovány n typu materiálu a oblast báze je dopován s malou vrstvou p-typu materiálu. Oblast emitoru je ve srovnání s oblastí kolektoru silně dotována. Tyto tři oblasti tvoří dva spojovací body. Jsou to spojení kolektor-základna (CB) a spojení základna-emitor.
Když je potenciální VBE aplikován na křižovatku Base-Emitter vzrůstající z 0V, elektrony a díry se začnou hromadit v oblasti vyčerpání. Když se potenciál zvýší nad 0,7 V, dosáhne se bariérového napětí a dojde k difúzi. Tudíž elektrony proudí směrem ke kladnému konci a toky základního proudu (IB) jsou naproti toku elektronů. Kromě toho začne proudit proud z kolektoru do emitoru za předpokladu, že na svorku kolektoru bude přivedeno napětí VCE. Tranzistor může fungovat jako spínač a zesilovač.
Provozní region versus režim provozu:
1. Aktivní oblast, IC = β × IB - operace zesilovače
2. Oblast saturace, IC = Saturační proud - Spínací provoz (zcela ZAPNUTO)
3. Cut-off region, IC = 0 - Switch operation (Completely OFF)
Tranzistor jako spínač:
Bylo vybráno vysvětlení pomocí modelu PSPICE BC547A. První důležitá věc, kterou je třeba mít na paměti, je použít rezistor omezující proud na základně. Vyšší základní proudy poškodí BJT. Z datového listu je maximální proud kolektoru 100 mA a je uveden odpovídající zisk (hFE nebo β).
Kroky k výběru komponent, 1. Najděte proud kolektoru proud spotřebovaný vaší zátěží. V tomto případě to bude 60 mA (reléová cívka nebo paralelní LED) a odpor = 200 Ohmů.
2. Aby se tranzistor dostal do stavu nasycení, musí být dodán dostatečný základní proud, aby byl tranzistor zcela zapnutý. Výpočet základního proudu a odpovídajícího odporu, který se má použít.
Pro úplnou saturaci je základní proud přibližně 0,6 mA (není příliš vysoký ani příliš nízký). Níže je tedy obvod s 0 V k základně, během kterého je spínač ve stavu VYPNUTO.
a) PSPICE Simulation of BJT as Switch, ab) ekvivalentní Switch podmínka
Teoreticky je spínač zcela otevřený, ale prakticky lze pozorovat tok svodového proudu. Tento proud je zanedbatelný, protože jsou v pA nebo nA. Pro lepší pochopení řízení proudu lze tranzistor považovat za proměnný rezistor napříč kolektorem (C) a emitorem (E), jehož odpor se mění v závislosti na proudu procházejícím základnou (B).
Zpočátku, když základnou neprotéká žádný proud, je odpor napříč CE velmi vysoký, takže jím neprotéká žádný proud. Když se na základnovou svorku použije potenciál 0,7 V a více, spojení BE se rozptýlí a způsobí rozptýlení spojení CB. Nyní proud teče z kolektoru do emitoru na základě zisku.
a) PSPICE Simulation of BJT as Switch, ab) ekvivalentní Switch podmínka
Nyní se podívejme, jak řídit výstupní proud ovládáním základního proudu. Vzhledem k IC = 42mA a podle stejného vzorce výše dostaneme IB = 0,35mA; RB = 14,28 kOhms ≈ 15 kOhms.
a) PSPICE Simulation of BJT as Switch, ab) ekvivalentní Switch podmínka
Odchylka praktické hodnoty od vypočtené hodnoty je způsobena poklesem napětí na tranzistoru a použitou odporovou zátěží.
Tranzistor jako zesilovač:
Zesílení je převod slabého signálu do použitelné formy. Proces zesílení byl důležitým krokem v mnoha aplikacích, jako jsou bezdrátové vysílané signály, bezdrátové přijímané signály, MP3 přehrávače, mobilní telefony atd., Tranzistor může zesilovat výkon, napětí a proud v různých konfiguracích.
Některé konfigurace používané v obvodech zesilovače jsou
- Společný emitorový zesilovač
- Společný kolektorový zesilovač
- Společný základní zesilovač
Z výše uvedených typů je běžným typem emitoru oblíbená a nejčastěji používaná konfigurace. K operaci dochází v aktivní oblasti, příkladem je jednostupňový obvod zesilovače společného emitoru. Stabilní stejnosměrný zkreslený bod a stabilní střídavý zisk jsou důležité při navrhování zesilovače. Název jednostupňového zesilovače, když se používá pouze jeden tranzistor.
Nahoře je jednostupňový obvod zesilovače, kde se slabý signál aplikovaný na svorce základny převádí na β krát skutečný signál na svorce kolektoru.
Část účel:
CIN je vazební kondenzátor, který spojuje vstupní signál se základnou tranzistoru. Tento kondenzátor tedy izoluje zdroj od tranzistoru a umožňuje průchod pouze střídavého signálu. CE je obtokový kondenzátor, který funguje jako cesta s nízkým odporem pro zesílený signál. COUT je vazební kondenzátor, který spojuje výstupní signál z kolektoru tranzistoru. Tento kondenzátor tedy izoluje výstup od tranzistoru a umožňuje průchod pouze střídavého signálu. R2 a RE zajišťují stabilitu zesilovače, zatímco R1 a R2 společně zajišťují stabilitu v DC zkreslení tím, že působí jako dělič potenciálu.
Úkon:
Okruh pracuje okamžitě pro každý časový interval. Jednoduše pochopitelné, když se střídavé napětí na svorce základny zvýší, odpovídající zvýšení proudu protéká odporem emitoru. Toto zvýšení proudu emitoru tedy zvyšuje vyšší proud kolektoru protékající tranzistorem, který snižuje pokles emitoru kolektoru VCE. Podobně, když vstupní střídavé napětí exponenciálně klesá, napětí VCE se začíná zvyšovat v důsledku poklesu proudu emitoru. Všechny tyto změny napětí se okamžitě odrážejí na výstupu, který bude obráceným průběhem vstupu, ale zesílen.
|
Vlastnosti |
Společná základna |
Společný vysílač |
Společný sběratel |
|
Zisk napětí |
Vysoký |
Střední |
Nízký |
|
Aktuální zisk |
Nízký |
Střední |
Vysoký |
|
Zisk síly |
Nízký |
Velmi vysoko |
Střední |
Tabulka: Tabulka porovnání zisků
Na základě výše uvedené tabulky lze použít odpovídající konfiguraci.