Prvi bipolarni križni tranzistor je bil izumljen leta 1947 v laboratorijih Bell. "Dve polarnosti" je okrajšana kot bipolarna, od tod tudi ime Bipolar junction tranzistor. BJT je tri terminalna naprava z zbiralnikom (C), dnom (B) in oddajnikom (E). Za prepoznavanje sponk tranzistorja je potreben pin-diagram določenega dela BJT, ki bo na voljo v obrazcu. Obstajata dve vrsti BJT - NPN in PNP tranzistorji. V tej vadnici bomo govorili o NPN tranzistorjih. Oglejmo si dva primera NPN tranzistorjev - BC547A in PN2222A, prikazana na zgornjih slikah.
Glede na postopek izdelave se bo spremenila konfiguracija zatiča, podrobnosti pa bodo na voljo v ustreznem obrazcu. Ko se moč tranzistorja poveča, je treba na telo tranzistorja pritrditi potreben hladilnik. Nepristranski tranzistor ali tranzistor brez potenciala, ki se uporablja na terminalih, je podoben dvema diodama, ki sta povezani med seboj, kot je prikazano na spodnji sliki.
Dioda D1 ima obratno prevodno lastnost, ki temelji na vodenju diode D2 naprej. Ko tok teče skozi diodo D2, dioda D1 zazna tok in sorazmerni tok bo smel teči v obratni smeri od priključka kolektorja do terminala oddajnika, če bo na priključku kolektorja uporabljen večji potencial. Sorazmerna konstanta je dobiček (β).
Delovanje NPN tranzistorjev:
Kot smo že omenili, je tranzistor trenutno nadzorovana naprava, ki ima dve plasti izpraznitve s specifičnim pregradnim potencialom, ki sta potrebni za difuzijo osiromašene plasti. Pregradni potencial za silicijev tranzistor je 0,7 V pri 25 ° C in 0,3 V pri 25 ° C za germanijev tranzistor. V glavnem se uporabljajo tranzistorji silicijevega tipa, ker je silicij najpogostejši element na zemlji po kisiku.
Notranje delovanje:
Gradnja NPN tranzistorja je, da so kolektorja in emitorja regije dopirane z n-tipa materiala in baza regija dopiran z majhno plast p-tipa materiala. Območje oddajanja je močno dopirano v primerjavi z območjem zbiralnika. Te tri regije tvorijo dve križišči. So križišče kolektor-osnova (CB) in križišče osnova-oddajnik.
Ko se potencialni VBE uporabi preko križišča Base-Emitter, ki se poveča od 0V, se elektroni in luknje začnejo kopičiti na območju izčrpavanja. Ko se potencial poveča nad 0,7 V, se doseže pregradna napetost in pride do difuzije. Zato elektroni tečejo proti pozitivnemu koncu, osnovni tokovi (IB) pa so nasprotni elektronskemu toku. Poleg tega začne tok od kolektorja do oddajnika teči pod pogojem, da se na priključku kolektorja uporablja napetost VCE. Tranzistor lahko deluje kot stikalo in ojačevalnik.
Regija delovanja v primerjavi z načinom delovanja:
1. Aktivno območje, IC = β × IB - delovanje ojačevalnika
2. Območje nasičenja, IC = nasičeni tok - delovanje stikala (popolnoma vklopljeno)
3. Mejno območje, IC = 0 - delovanje stikala (popolnoma izklopljeno)
Tranzistor kot stikalo:
Za razlago z modelom PSPICE je bil izbran model BC547A. Prva pomembna stvar, ki jo je treba upoštevati, je uporaba omejevalnega upora na dnu. Višji osnovni tokovi bodo poškodovali BJT. Iz podatkovnega lista je največji kolektorski tok 100 mA in podana je ustrezna ojačitev (hFE ali β).
Koraki za izbiro komponent, 1. Poiščite kolektorski tok, ki ga porabi vaš tovor. V tem primeru bo to 60 mA (relejska tuljava ali vzporedne LED) in upor = 200 ohmov.
2. Da bi tranzistor pripeljal v stanje nasičenosti, je treba dovajati dovolj osnovnega toka, da je tranzistor popolnoma vklopljen. Izračun osnovnega toka in ustreznega upora, ki se bo uporabil.
Za popolno nasičenost je osnovni tok približno 0,6 mA (ne previsok ali prenizek). Tako je spodaj vezje z 0V na bazo, med katerim je stikalo izklopljeno.
a) PSPICE simulacija BJT kot stikala in b) enakovreden pogoj stikala
Teoretično je stikalo popolnoma odprto, vendar lahko praktično opazimo pretok toka uhajanja. Ta tok je zanemarljiv, ker sta v pA ali nA. Za boljše razumevanje krmiljenja toka lahko tranzistor obravnavamo kot spremenljiv upor med kolektorjem (C) in oddajnikom (E), katerega upor se spreminja glede na tok skozi osnovo (B).
Sprva, ko skozi osnovo ne teče tok, je upor čez CE zelo velik, da skozi njega ne teče tok. Ko se na osnovni sponki uporabi potencial 0,7 V in več, se spoj BE razprši in povzroči, da CB razpusti. Zdaj tok teče od kolektorja do oddajnika glede na ojačanje.
a) PSPICE simulacija BJT kot stikala in b) enakovreden pogoj stikala
Zdaj pa poglejmo, kako nadzirati izhodni tok z nadzorom osnovnega toka. Če upoštevamo IC = 42mA in po isti zgornji formuli dobimo IB = 0,35mA; RB = 14,28kOhms ≈ 15kOhms.a) PSPICE simulacija BJT kot stikala in b) enakovreden pogoj stikala
Sprememba praktične vrednosti od izračunane vrednosti je posledica padca napetosti na tranzistorju in uporovne obremenitve, ki se uporablja.
Tranzistor kot ojačevalec:
Ojačanje je pretvorba šibkega signala v uporabno obliko. Proces ojačevanja je bil pomemben korak v mnogih aplikacijah, kot so brezžični prenos signalov, brezžični prejeti signali, MP3 predvajalniki, mobilni telefoni itd., Tranzistor lahko ojača moč, napetost in tok pri različnih konfiguracijah.
Nekatere konfiguracije, ki se uporabljajo v ojačevalnih vezjih, so
- Ojačevalnik skupnega oddajnika
- Skupni kolektorski ojačevalnik
- Skupni osnovni ojačevalnik
Od zgornjih vrst je običajna vrsta oddajnika priljubljena in večinoma uporabljena konfiguracija. Operacija se izvaja v aktivnem območju, primer zanj je enostopenjski ojačevalnik skupnega oddajnika. Pri načrtovanju ojačevalnika sta pomembna stabilna točka pristranskosti enosmernega toka in stabilno ojačanje AC. Ime enostopenjski ojačevalnik, kadar se uporablja samo en tranzistor.
Zgoraj je enostopenjsko ojačevalno vezje, kjer se šibek signal, uporabljen na osnovnem sponki, pretvori v β-kratnik dejanskega signala na kolektorskem terminalu.
Namen dela:
CIN je sklopni kondenzator, ki poveže vhodni signal z dnom tranzistorja. Tako ta kondenzator izolira vir od tranzistorja in omogoča prehod samo izmeničnega signala. CE je obvodni kondenzator, ki deluje kot pot z nizkim uporom za ojačani signal. COUT je sklopni kondenzator, ki povezuje izhodni signal iz kolektorja tranzistorja. Tako ta kondenzator izolira izhod iz tranzistorja in omogoča prehod samo izmeničnega signala. R2 in RE zagotavljata stabilnost ojačevalnika, medtem ko R1 in R2 skupaj zagotavljata stabilnost v točki pristranskosti DC, tako da delujeta kot potencialni delilnik.
Delovanje:
Vezje deluje v trenutku za vsak časovni interval. Preprosto, da razumemo, ko izmenična napetost na osnovnem priključku poveča ustrezno povečanje toka skozi upor oddajnika. Tako to povečanje emiterskega toka poveča višji kolektorski tok, ki teče skozi tranzistor, kar zmanjša padec VCE kolektorja. Podobno, ko se vhodna izmenična napetost eksponentno zmanjša, se napetost VCE začne povečevati zaradi zmanjšanja toka oddajnika. Vse te spremembe napetosti se takoj odrazijo na izhodu, ki bo obrnjena valovna oblika vhoda, vendar ojačana.
Značilnosti |
Skupna osnova |
Skupni oddajnik |
Skupni zbiralec |
Povečanje napetosti |
Visoko |
Srednje |
Nizko |
Trenutni dobiček |
Nizko |
Srednje |
Visoko |
Povečanje moči |
Nizko |
Zelo visoko |
Srednje |
Tabela: Tabela primerjanja dobičkov
Na podlagi zgornje tabele je mogoče uporabiti ustrezno konfiguracijo.