الترانزستورات ثنائية القطب: الدوائر ، وسائط ، النمذجة

ظهر الترانزستور في عام 1948 (1947) ، وذلك بفضل عمل ثلاثة مهندسين وشوكلي ، برادشتاين ، باردين. في تلك الأيام ، لم يكن من المتوقع تطورها وتعميمها السريع. في الاتحاد السوفياتي في عام 1949 ، تم تقديم النموذج الأولي للترانزستور إلى العالم العلمي من قبل مختبر كراسيلوف ، وكان الصمام الثلاثي C1-C4 (الجرمانيوم). ظهر مصطلح الترانزستور لاحقًا في الخمسينات أو الستينات.

ومع ذلك ، وجدوا استخدامًا واسع النطاق في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات ، عندما ظهرت أجهزة الراديو المحمولة. بالمناسبة ، منذ فترة طويلة يطلق عليهم "الترانزستور". هذا الاسم عالق بسبب حقيقة أنها استبدلت الأنابيب الإلكترونية بعناصر أشباه الموصلات ، مما تسبب في ثورة في هندسة الراديو.

ما هو أشباه الموصلات؟

مصنوعة الترانزستورات من مواد أشباه الموصلات ، على سبيل المثال ، السيليكون ، الجرمانيوم كان سابقا شعبية ، ولكن الآن نادرا ما وجدت ، بسبب ارتفاع تكلفتها والمعلمات أسوأ ، من حيث درجة الحرارة وأشياء أخرى.

أشباه الموصلات هي المواد التي تشغل مكانًا بين الموصلات والمواد العازلة في الموصلية. مقاومتهم أكبر بمليون مرة من الموصلات ومئات الملايين من المرات أقل من المواد العازلة. بالإضافة إلى ذلك ، لكي يتدفق التيار من خلالها ، من الضروري تطبيق فولتية تتجاوز فجوة النطاق حتى تمر ناقلات الشحن من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.

موصلات المنطقة المحرمة غير موجودة على هذا النحو. يمكن لحامل الشحن (الإلكترون) أن ينتقل إلى شريط التوصيل ليس فقط تحت تأثير الجهد الخارجي ، ولكن أيضًا من الحرارة - وهذا ما يسمى التيار الحراري. يسمى التيار الناجم عن تشعيع تدفق أشباه الموصلات بالضوء الضوئي. مقاومات الضوء ، الثنائيات الضوئية وعناصر حساسة أخرى تعمل على هذا المبدأ.

للمقارنة ، انظر إلى تلك الموجودة في مواد العزل والموصلات:

واضح جدا. توضح الرسوم البيانية أن العوازل الكهربائية لا تزال قادرة على إجراء التيار ، ولكن هذا يحدث بعد التغلب على المنطقة المحرمة. في الممارسة العملية ، وهذا ما يسمى الجهد انهيار العزل الكهربائي.

لذلك ، فإن الفرق بين هياكل الجرمانيوم والسليكون هو أن فجوة الشريط بالنسبة للجرمانيوم تبلغ 0.3 فولت (إلكترون فولت) ، وأن فجوة السيليكون تزيد عن 0.6 فولت. من ناحية ، هذا يسبب المزيد من الخسائر ، لكن استخدام السيليكون يرجع إلى عوامل تقنية واقتصادية.

نتيجة للمنشطات ، يستقبل أشباه الموصلات حاملات شحن إضافية موجبة (ثقوب) أو سالبة (إلكترونات) ، وهذا ما يسمى أشباه الموصلات من نوع p أو n. ربما سمعت عبارة "pn junction". هذا هو الحد الفاصل بين أشباه الموصلات من أنواع مختلفة. نتيجة لتحريك الشحنات ، فإن تكوين جزيئات مؤينة من كل نوع من الشوائب إلى أشباه الموصلات الرئيسية ، وهو شكل عائق محتمل ، لا يسمح للتيار بالتدفق في كلا الاتجاهين ، ويرد المزيد حول هذا الموضوع في الكتاب "الترانزستور سهل"..

أتاح إدخال حاملات شحن إضافية (منشطات أشباه الموصلات) إنشاء أجهزة أشباه الموصلات: الثنائيات ، الترانزستورات ، الثايرستور ، إلخ. أبسط مثال على ذلك هو الصمام الثنائي ، الذي قمنا بفحصه. في المادة السابقة.

إذا قمت بتطبيق جهد في انحياز أمامي ، أي سوف أتدفق بشكل إيجابي إلى المنطقة p ، وسوف يتدفق التيار السلبي إلى المنطقة n ، وإذا كان العكس صحيحًا ، فلن يتدفق التيار. والحقيقة هي أنه مع التحيز المباشر ، تكون الناقلات الرئيسية للمنطقة p (الحفرة) إيجابية ، وتميل الصدفة من الإمكانات الإيجابية لمصدر الطاقة ، إلى المنطقة ذات الإمكانات السلبية.

في الوقت نفسه ، فإن الناقلات السلبية للمنطقة n تتصدى من القطب السلبي لمصدر الطاقة. تميل كلتا الناقلتين إلى الواجهة (تقاطع pn).يصبح الانتقال أضيق ، وتتغلب شركات النقل على الحاجز المحتمل ، وتتحرك في مناطق ذات شحنات معاكسة ، حيث تتلاقى معها ...

في حالة تطبيق جهد انحياز عكسي ، تتحرك الموجات الحاملة الموجبة للمنطقة p باتجاه القطب السالب لمصدر الطاقة ، وتتحرك الإلكترونات من المنطقة n نحو القطب الموجب. يتوسع الانتقال ، لا يتدفق التيار.

إذا لم تدخل في التفاصيل ، فهذا يكفي لفهم العمليات التي تجري في أشباه الموصلات.

تعيين الرسم الشرطي للترانزستور

في الاتحاد الروسي ، يتم اعتماد تسمية الترانزستور كما ترون في الصورة أدناه. المجمع بدون سهم ، والباعث به سهم ، والقاعدة عمودي على الخط الفاصل بين الباعث والمجمع. يشير السهم الموجود على الباعث إلى اتجاه التدفق الحالي (من زائد إلى ناقص). بالنسبة إلى بنية NPN ، يتم توجيه سهم باعث من القاعدة ، وبالنسبة لبنية PNP ، يتم توجيهه إلى القاعدة.

علاوة على ذلك ، يتم العثور على نفس التسمية في المخططات ، ولكن بدون دائرة. تعيين حرف قياسي هو "VT" والرقم بالترتيب على الرسم البياني ، وأحيانًا يكتبون ببساطة "T".

 

صورة الترانزستورات بدون دائرة

ما هو الترانزستور؟

الترانزستور هو جهاز أشباه الموصلات نشط يهدف إلى تضخيم إشارة وتوليد التذبذبات. استبدل أنابيب فراغ - الصمامات. عادة ما يكون الترانزستورات ثلاثة أرجل - جامع ، باعث والقاعدة. القاعدة هي التحكم الكهربائي ، وتوفير التيار لها ، ونحن نتحكم في جامع الحالي. وبالتالي ، بمساعدة تيار قاعدي صغير ، نقوم بتنظيم التيارات الكبيرة في دائرة الطاقة ، ويتم تكبير الإشارة.

الترانزستورات ثنائية القطب هي الأمام المباشر (PNP) والتوصيل العكسي (NPN). هيكلها مبين أدناه. عادةً ما تشغل القاعدة حجمًا أصغر من بلورات أشباه الموصلات.

خصائص

الخصائص الرئيسية للترانزستورات ثنائية القطب:

• I - الحد الأقصى الحالي للمجمع (لا يمكن أن يكون أعلى - سوف يحترق)

• Ucemax - أقصى الجهد الذي يمكن تطبيقه بين المجمع والباعث (من المستحيل أعلاه - سوف ينكسر) ؛

• Ucesat هو الجهد تشبع الترانزستور. انخفاض الجهد في وضع التشبع (أصغر ، وأقل خسائر في حالة مفتوحة والتدفئة) ؛

• Β أو H21E - كسب الترانزستور ، يساوي Ik / Ib. يعتمد على نموذج الترانزستور. على سبيل المثال ، عند ربح 100 ، في تيار من خلال قاعدة 1 مللي أمبير ، سوف يتدفق تيار 100 مللي أمبير عبر المجمع ، إلخ.

تجدر الإشارة إلى التيارات الترانزستور ، وهناك ثلاثة منها:

1. القاعدة الحالية.

2. جامع الحالي.

3. باعث الحالي - يحتوي على قاعدة الحالي والتيار باعث.

في معظم الأحيان ، يسقط الحالي باعث ل يكاد لا يختلف عن جامع الحالي في الحجم. الفرق الوحيد هو أن جامع الحالي أقل من باعث الحالية بقيمة الحالي الأساسي ، ومنذ ذلك الحين تتمتع الترانزستورات بمكاسب عالية (على سبيل المثال 100) ، ثم عند تيار يبلغ 1A خلال الباعث ، 10mA سوف تتدفق عبر القاعدة ، و 990mA عبر المجمع. موافق ، هذا فرق صغير بما يكفي لقضاء بعض الوقت عليه عند دراسة الإلكترونيات. لذلك ، في خصائصه وأشار Icmax.

أوضاع التشغيل

يمكن أن يعمل الترانزستور في أوضاع مختلفة:

1. وضع التشبع. وبكلمات بسيطة ، هذا هو الوضع الذي يكون فيه الترانزستور في أقصى حالة مفتوحة (كلتا الحالتين متحيزتان في الاتجاه الأمامي).

2. يكون وضع القطع عندما لا يتدفق التيار ويتم إغلاق الترانزستور (كلتا الحالتين متحيزتان في الاتجاه المعاكس).

3. الوضع النشط (قاعدة جامع منحازة في الاتجاه المعاكس ، وقاعدة باعث منحازة في الاتجاه الأمامي).

4. عكس الوضع النشط (قاعدة الجامع منحازة في الاتجاه الأمامي ، وقاعدة باعث منحازة في الاتجاه المعاكس) ، ولكن نادرا ما يتم استخدامه.

دوائر تبديل الترانزستور النموذجية

هناك ثلاث دوائر تبديل ترانزستور نموذجية:

1. القاعدة العامة.

2. باعث العامة.

3. جامع المشترك.

تعتبر دائرة الإدخال هي قاعدة الباعث ، ودائرة الخرج هي باعث المجمع. في حين أن تيار الدخل هو التيار الأساسي ، والإخراج هو تيار المجمع ، على التوالي.

اعتمادًا على دائرة التبديل ، نقوم بتضخيم التيار أو الجهد.في الكتب المدرسية ، من المعتاد النظر في مخططات التضمين هذه فقط ، لكن في الممارسة العملية لا تبدو واضحة للغاية.

تجدر الإشارة إلى أنه عند توصيله بدائرة مع جامع مشترك ، فإننا نقوم بتضخيم التيار ونحصل على طور (مثل المدخلات في القطبية) عند المدخلات والمخرجات ، وفي الدائرة مع باعث مشترك ، نحصل على زيادة الجهد والجهد العكسي (الإخراج معكوس بالنسبة إلى المدخلات). في نهاية المقال ، سنحاكي هذه الدوائر ونرى ذلك بوضوح.

نمذجة مفتاح الترانزستور

النموذج الأول سوف ننظر في هو وضع الترانزستور الرئيسي. للقيام بذلك ، تحتاج إلى بناء دائرة كما في الشكل أدناه. لنفترض أننا سنشمل حمولة بتيار 0.1A ، سيتم لعب دورها بواسطة المقاوم R3 المثبت في دارة المجمع.

كنتيجة للتجارب ، وجدت أن h21E لنموذج الترانزستور المحدد يبلغ حوالي 20 ، بالمناسبة ، في ورقة البيانات في MJE13007 تقول من 8 إلى 40.

يجب أن تكون قاعدة الحالية حوالي 5ma. يتم حساب الفاصل بحيث يكون للتيار الأساسي تأثير ضئيل على التيار الفاصل. بحيث لا يطفو الجهد المحدد عند تشغيل الترانزستور. لذلك ، تعيين الفاصل الحالي 100mA.

Rbrosch = (12V - 0.6v) / 0.005= 2280 أوم

هذه هي قيمة محسوبة ، والتيارات نتيجة لذلك خرجت على النحو التالي:

مع تيار قاعدي قدره 5 مللي أمبير ، كان التيار في الحمل حوالي 100 مللي أمبير ، ينخفض ​​الجهد إلى 0.27 فولت عند الترانزستور ، والحسابات صحيحة.

ماذا حصلنا عليه؟

يمكننا التحكم في الحمل الذي يبلغ تياره الحالي 20 مرة. لزيادة التضخيم ، يمكنك تكرار الشلال ، مما يقلل من التحكم الحالي. أو استخدم ترانزستور آخر.

تم تقييد التيار الجامع بمقاومة الحمل ، بالنسبة للتجربة قررت أن أجعل مقاومة الحمل 0 أوم ، ثم يتم ضبط التيار عبر الترانزستور بواسطة التيار الأساسي والكسب. نتيجة لذلك ، لا تختلف التيارات عملياً ، كما ترون.

لتتبع تأثير نوع الترانزستور ومكاسبه على التيارات ، فإننا نستبدلها دون تغيير معلمات الدائرة.

بعد استبدال الترانزستور من MJE13007 إلى MJE18006 ، استمرت الدائرة في العمل ، لكن 0.14 فولت تسقط على الترانزستور ، مما يعني أن هذا الترانزستور في نفس التيار سوف يسخن بدرجة أقل ، لأن سوف تبرز في الحرارة

وعاء = 0.14 فولت * 0.1A = 0.014 واط ،

وفي الحالة السابقة:

قدر سابقًا = 0.27 فولت * 0.1A = 0.027 واط

يكون الفارق مزدوجًا تقريبًا ، إذا لم يكن كبيرًا في أعشار واط ، تخيل ما سيحدث في التيارات بعشرات الأمبير ، ثم تزيد قوة الخسائر 100 مرة. هذا يؤدي إلى حقيقة أن مفاتيح ارتفاع درجة الحرارة وفشل.

تنتشر الحرارة التي يتم إطلاقها أثناء التسخين عبر الجهاز ويمكن أن تسبب مشاكل في تشغيل المكونات المجاورة. لهذا ، يتم تثبيت جميع عناصر الطاقة على مشعات ، وفي بعض الأحيان يتم استخدام أنظمة تبريد نشطة (مبردة ، سائلة ، إلخ).

بالإضافة إلى ذلك ، مع زيادة درجة الحرارة ، تزيد الموصلية شبه الموصلة ، وكذلك الحال مع التيار الذي يتدفق من خلالها ، مما يؤدي مرة أخرى إلى زيادة في درجة الحرارة. إن عملية تشبه الانهيار الجليدي لزيادة التيار ودرجة الحرارة ستؤدي في النهاية إلى مقتل المفتاح.

الاستنتاج هو: كلما انخفض الجهد الكهربائي عبر الترانزستور في الحالة المفتوحة ، قل تسخينه وأعلى كفاءة للدائرة بأكملها.

أصبح انخفاض الجهد على المفتاح أصغر نظرًا لحقيقة أننا نضع مفتاحًا أكثر قوة ، مع تحقيق مكاسب أعلى ، للتأكد من ذلك ، نزيل الحمل من الدائرة. للقيام بذلك ، قمت مرة أخرى بتعيين R3 = 0 أوم. أصبح التيار جامع 219mA ، على MJE13003 في نفس الدائرة كان حوالي 130mA ، مما يعني أن H21E في نموذج هذا الترانزستور هو أكبر مرتين.

تجدر الإشارة إلى أن ربح نموذج واحد ، حسب حالة معينة ، يمكن أن يختلف بعشرات أو مئات المرات. هذا يتطلب ضبط وضبط الدوائر التناظرية. في هذا البرنامج ، تستخدم المعاملات الثابتة في نماذج الترانزستور ، وأنا أعلم المنطق الذي يختارونه. في MJE18006 في ورقة البيانات ، الحد الأقصى لنسبة H21E هو 36.

محاكاة مكبر للصوت AC

يعرض النموذج المحدد سلوك المفتاح إذا تم تطبيق إشارة بديلة ودائرة بسيطة لإدراجه في الدائرة عليه. يشبه دائرة مضخم الطاقة الموسيقية.

عادة ما يستخدمون العديد من هذه الشلالات المتصلة سلسلة. يعتمد عدد مخططات التسلسل ودوائر الطاقة الخاصة بها على الفئة التي يعمل فيها مكبر الصوت (A ، B ، إلخ). سأحاكي أبسط مضخم صوت من الفئة A ، والذي يعمل في الوضع الخطي ، وكذلك أخذ أشكال موجية من جهد الدخل والإخراج.

يقوم المقاوم R1 بتعيين نقطة تشغيل الترانزستور. في الكتب المدرسية يكتبون أنك تحتاج إلى العثور على مثل هذه النقطة على قطعة مستقيمة من CVC من الترانزستور. إذا كان الجهد المنحرف منخفضًا جدًا ، فسيتم تشويه نصف الموجة السفلي للإشارة.

Rpit = (Upit-Ub) / Ib

Ub≈0.7V

Ib = IK / H21E

هناك حاجة إلى المكثفات لفصل المكون المتغير عن الثابت. يتم تثبيت المقاومات R2 من أجل ضبط وضع التشغيل للمفتاح وتعيين التيارات العاملة. دعونا ننظر في الطول الموجي. نعطي إشارة بسعة 10mV وتردد 10000 هرتز. السعة الإخراج ما يقرب من 2V.

يشير أرجواني إلى شكل موجة الإخراج ، أحمر يشير إلى شكل موجة الإدخال.

يرجى ملاحظة أن الإشارة مقلوبة ، أي يتم عكس إشارة الإخراج بالنسبة إلى المدخلات. هذه هي سمة من سمات دائرة باعث المشتركة. وفقًا للمخطط ، تتم إزالة الإشارة من المجمع. لذلك ، عندما يتم فتح الترانزستور (عندما ترتفع إشارة الدخل) ، فإن الجهد عبرها سينخفض. عندما تنخفض إشارة الدخل ، يبدأ الترانزستور في الإغلاق ويبدأ الجهد في الارتفاع.

يعتبر هذا المخطط أعلى جودة من حيث جودة إرسال الإشارة ، ولكن عليك أن تدفع ثمن ذلك مع قوة الخسائر. والحقيقة هي أنه في حالة عدم وجود إشارة الإدخال ، يكون الترانزستور مفتوحًا دائمًا ويقوم بالتيار. ثم يتم إطلاق الحرارة:

Ppot = (UKE) / Ik

UKE هو انخفاض في الترانزستور في حالة عدم وجود إشارة الإدخال.

هذه أبسط دائرة للمكبر ، بينما تعمل أي دارة أخرى بهذه الطريقة ، إلا أن اتصال العناصر ومزيجها مختلف. على سبيل المثال ، يتكون مكبر ترانزستور الفئة B من ترانزستورات ، يعمل كل منهما لنصف موجة.

تستخدم الترانزستورات من التوصيلات المختلفة هنا:

• VT1 هو NPN ؛

• VT2 - PNP.

الجزء الإيجابي لإشارة الدخل المتغير يفتح الترانزستور العلوي ، والسالب - السفلي.

يعطي هذا المخطط كفاءة أكبر نظرًا لحقيقة أن الترانزستورات تفتح وتغلق تمامًا. نظرًا لحقيقة أنه عند غياب الإشارة - يتم إغلاق كل من الترانزستورات ، فإن الدائرة لا تستهلك التيار ، لذلك لا توجد خسائر.

استنتاج

فهم تشغيل الترانزستور مهم للغاية إذا كنت ستقوم بالإلكترونيات. في هذا المجال ، من المهم ليس فقط تعلم كيفية تجميع المخططات ، ولكن أيضًا تحليلها. لإجراء دراسة منهجية وفهم للأجهزة ، تحتاج إلى فهم أين وكيف ستتدفق التيارات. سيساعد ذلك في التجميع وفي ضبط وإصلاح الدوائر.

تجدر الإشارة إلى أنني حذفت عمدا العديد من الفروق الدقيقة والعوامل حتى لا أفرط في تحميل المقال. في هذه الحالة ، بعد الحسابات التقاط المقاومات. في النمذجة ، وهذا من السهل القيام به. لكن في الممارسة العملية قياس التيارات والفولتية مع المتر، والحاجة المثالية مرسمة الذبذباتللتحقق مما إذا كانت أشكال الطول الموجي المدخلات والمخرجات مطابقة ، وإلا سيكون لديك تشويه.