TÓPICO 4. TRANSISTORES BIPOLARES

4.1 Projeto e princípio de operação

Um transistor bipolar é um dispositivo semicondutor que consiste em três regiões com tipos alternados de condutividade elétrica e é adequado para amplificação de potência.

Os transistores bipolares produzidos atualmente podem ser classificados de acordo com os seguintes critérios:

Por material: germânio e silício;

De acordo com o tipo de condutividade das áreas: tipos p-n-p e n-p-n;

Por potência: baixa (Pmax £ 0,3 W), média (Pmax £ 1,5 W) e alta potência (Pmax > 1,5 W);

Por frequência: baixa frequência, média frequência, alta frequência e microondas.

Nos transistores bipolares, a corrente é determinada pelo movimento de dois tipos de portadores de carga: elétrons e lacunas (ou majoritários e minoritários). Daí o seu nome - bipolar.

Atualmente, apenas transistores com junções pn planas são fabricados e usados.

A estrutura de um transistor bipolar planar é mostrada esquematicamente na Fig. 4.1.

É uma placa de germânio ou silício na qual são criadas três regiões com condutividades elétricas diferentes. Em um transistor npn, a região intermediária possui um buraco e as regiões externas possuem condutividade eletrônica.

Os transistores do tipo pnp possuem uma região intermediária com condutividade eletrônica e regiões externas com condutividade elétrica de furo.

A região intermediária do transistor é chamada de base, uma região extrema é o emissor e a outra é o coletor. Assim, o transistor possui duas junções p-n: o emissor - entre o emissor e a base e o coletor - entre a base e o coletor. A área da junção do emissor é menor que a área da junção do coletor.

O emissor é a região do transistor cuja finalidade é injetar portadores de carga na base. Um coletor é uma região cuja finalidade é extrair portadores de carga da base. A base é a região na qual o emissor injeta portadores de carga que não são majoritários para esta região.

A concentração dos principais portadores de carga no emissor é muitas vezes maior que a concentração dos principais portadores de carga na base, e sua concentração no coletor é um pouco menor que a concentração no emissor. Portanto, a condutividade do emissor é várias ordens de grandeza superior à condutividade de base, e a condutividade do coletor é um pouco menor que a condutividade do emissor.

As conclusões são tiradas da base, emissor e coletor. Dependendo de qual dos terminais é comum aos circuitos de entrada e saída, existem três circuitos para conexão do transistor: com base comum (CB), emissor comum (CE) e coletor comum (CC).

O circuito de entrada ou controle serve para controlar a operação do transistor. No circuito de saída, ou controlado, são obtidas oscilações amplificadas. A fonte de oscilações amplificadas está incluída no circuito de entrada e a carga é conectada ao circuito de saída.

Consideremos o princípio de funcionamento de um transistor usando o exemplo de um transistor do tipo pnp conectado segundo um circuito de base comum (Fig. 4.2).

Figura 4.2 – Princípio de funcionamento de um transistor bipolar (tipo pnp)

As tensões externas de duas fontes de energia EE e Ek são conectadas ao transistor de tal forma que a junção do emissor P1 é polarizada na direção direta (tensão direta) e a junção do coletor P2 é polarizada na direção reversa (tensão reversa) .

Se uma tensão reversa for aplicada à junção do coletor e o circuito emissor estiver aberto, uma pequena corrente reversa Iko (unidades de microamperes) flui no circuito coletor. Esta corrente surge sob a influência da tensão reversa e é criada pelo movimento direcional de portadores de carga minoritários, buracos de base e elétrons do coletor através da junção do coletor. A corrente reversa flui através do circuito: +Ek, coletor base, -Ek. A magnitude da corrente reversa do coletor não depende da tensão do coletor, mas depende da temperatura do semicondutor.

Quando uma tensão constante EE é conectada ao circuito emissor na direção direta, a barreira de potencial da junção do emissor diminui. Começa a injeção de furos na base.

A tensão externa aplicada ao transistor acaba sendo aplicada principalmente nas transições P1 e P2, porque possuem alta resistência em comparação com a resistência das regiões de base, emissor e coletor. Portanto, os buracos injetados na base movem-se através dela por difusão. Neste caso, as lacunas recombinam-se com os elétrons da base. Como a concentração de portadores na base é muito menor que no emissor, poucos buracos se recombinam. Com uma espessura de base pequena, quase todos os furos atingirão a junção do coletor P2. No lugar dos elétrons recombinados, os elétrons da fonte de energia Ek entram na base. Buracos que se recombinam com elétrons na base criam uma corrente de base IB.

Sob a influência da tensão reversa Ek, a barreira de potencial da junção do coletor aumenta e a espessura da junção P2 aumenta. Mas a barreira potencial da junção do coletor não impede a passagem de furos por ela. Os buracos que entram na região da junção do coletor caem em um forte campo de aceleração criado na junção pela tensão do coletor e são extraídos (retraídos) pelo coletor, criando uma corrente de coletor Ik. A corrente do coletor flui através do circuito: +Ek, coletor base, -Ek.

Assim, três correntes fluem no transistor: emissor, coletor e corrente de base.

No fio, que é o terminal da base, as correntes do emissor e do coletor são direcionadas em direções opostas. Portanto, a corrente de base é igual à diferença entre as correntes do emissor e do coletor: IB = IE - IK.

Os processos físicos em um transistor npn procedem de maneira semelhante aos processos em um transistor pnp.

A corrente total do emissor IE é determinada pelo número de portadores de carga principais injetados pelo emissor. A maior parte desses portadores de carga que chegam ao coletor cria uma corrente de coletor Ik. Uma pequena parte dos portadores de carga injetados na base recombinam-se na base, criando uma corrente de base IB. Consequentemente, a corrente do emissor será dividida em correntes de base e de coletor, ou seja, IE = IB + Ik.

A corrente do emissor é a corrente de entrada, a corrente do coletor é a corrente de saída. A corrente de saída faz parte da corrente de entrada, ou seja,

onde a é o coeficiente de transferência de corrente para o circuito OB;

Como a corrente de saída é menor que a corrente de entrada, o coeficiente a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

Em um circuito emissor comum, a corrente de saída é a corrente do coletor e a corrente de entrada é a corrente de base. Ganho de corrente para o circuito OE:

(4.3)

Conseqüentemente, o ganho de corrente para o circuito OE é de dezenas de unidades.

A corrente de saída do transistor depende da corrente de entrada. Portanto, um transistor é um dispositivo controlado por corrente.

Mudanças na corrente do emissor causadas por mudanças na tensão da junção do emissor são completamente transmitidas ao circuito coletor, causando uma mudança na corrente do coletor. E porque A tensão da fonte de energia do coletor Ek é significativamente maior que a do emissor Ee, então a potência consumida no circuito coletor Pk será significativamente maior que a potência no circuito emissor Re. Assim, é possível controlar alta potência no circuito coletor do transistor com baixa potência gasta no circuito emissor, ou seja, há um aumento de potência.

4.2 Circuitos de conexão para transistores bipolares

O transistor é conectado ao circuito elétrico de forma que um de seus terminais (eletrodo) seja a entrada, o segundo seja a saída e o terceiro seja comum aos circuitos de entrada e saída. Dependendo de qual eletrodo é comum, existem três circuitos de comutação de transistores: OB, OE e OK. Esses circuitos para um transistor pnp são mostrados na Fig. 4.3. Para um transistor n-p-n nos circuitos de comutação, apenas a polaridade das tensões e a direção das correntes mudam. Para qualquer circuito de comutação de transistor (no modo ativo), a polaridade das fontes de alimentação deve ser selecionada de forma que a junção do emissor seja ligada na direção direta e a junção do coletor na direção reversa.

Figura 4.3 – Circuitos de conexão para transistores bipolares: a) OB; b) OE; c) OK

4.3 Características estáticas dos transistores bipolares

O modo estático de operação do transistor é o modo quando não há carga no circuito de saída.

As características estáticas dos transistores são as dependências expressas graficamente da tensão e da corrente do circuito de entrada (características de corrente-tensão de entrada) e do circuito de saída (características de corrente-tensão de saída). O tipo de características depende do método de ligação do transistor.

4.3.1 Características de um transistor conectado de acordo com o circuito OB

IE = f(UEB) com UKB = const (Fig. 4.4, a).

IK = f(UKB) com IE = const (Fig. 4.4, b).

Figura 4.4 – Características estáticas de um transistor bipolar conectado conforme circuito OB

As características corrente-tensão de saída possuem três regiões características: 1 – forte dependência de Ik em UKB (região inicial não linear); 2 – fraca dependência de Ik em relação ao UKB (região linear); 3 – quebra da junção coletora.

Uma característica das características na região 2 é o seu ligeiro aumento com o aumento da tensão UKB.

4.3.2 Características de um transistor conectado de acordo com o circuito OE:

A característica de entrada é a dependência:

IB = f(UBE) com UKE = const (Fig. 4.5, b).

A característica de saída é a dependência:

IK = f(UKE) com IB = const (Fig. 4.5, a).

Figura 4.5 – Características estáticas de um transistor bipolar conectado conforme circuito OE

O transistor no circuito OE fornece amplificação de corrente. Ganho de corrente no circuito OE: Se o coeficiente a para transistores for a = 0,9¸0,99, então o coeficiente b = 9¸99. Esta é a vantagem mais importante de conectar o transistor de acordo com o circuito OE, o que, em particular, determina a aplicação prática mais ampla deste circuito de conexão em comparação com o circuito OB.

Pelo princípio de funcionamento do transistor, sabe-se que dois componentes de corrente fluem através do terminal de base na direção oposta (Fig. 4.6): a corrente reversa da junção coletor IKO e parte da corrente do emissor (1 - a) Ou seja. A este respeito, o valor zero da corrente de base (IB = 0) é determinado pela igualdade dos componentes de corrente especificados, ou seja, (1 − a)IE = IKO. A corrente de entrada zero corresponde à corrente do emissor IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO e à corrente do coletor. Em outras palavras, na corrente de base zero (IB = 0), uma corrente flui através do transistor no circuito OE, chamada de corrente inicial ou de passagem IKO(E) e igual a (1+ b) IKO.

Figura 4.6 – Circuito de conexão de um transistor com emissor comum (circuito OE)

4.4 Parâmetros básicos

Para analisar e calcular circuitos com transistores bipolares, são utilizados os chamados parâmetros h do transistor conectado de acordo com o circuito OE.

O estado elétrico de um transistor conectado de acordo com o circuito OE é caracterizado pelos valores IB, IBE, IK, UKE.

O sistema de h − parâmetros inclui as seguintes quantidades:

1. Impedância de entrada

h11 = DU1/DI1 em U2 = const. (4.4)

representa a resistência do transistor à corrente alternada de entrada na qual ocorre um curto-circuito na saída, ou seja, na ausência de tensão de saída CA.

2. Coeficiente de feedback de tensão:

h12 = DU1/DU2em I1= const. (4.5)

mostra qual proporção da tensão CA de entrada é transferida para a entrada do transistor devido ao feedback nele.

3. Coeficiente de força atual (coeficiente de transferência de corrente):

h21 = DI2/DI1 em U2= const. (4.6)

mostra a amplificação da corrente alternada pelo transistor no modo sem carga.

4. Condutividade de saída:

h22 = DI2/DU2 em I1 = const. (4.7)

representa a condutância para corrente alternada entre os terminais de saída do transistor.

Resistência de saída Rout = 1/h22.

Para um circuito emissor comum, as seguintes equações se aplicam:

(4.8)

Para evitar o superaquecimento da junção do coletor, é necessário que a potência nela liberada durante a passagem da corrente do coletor não ultrapasse um determinado valor máximo:

(4.9)

Além disso, existem limitações na tensão do coletor:

e corrente de coletor:

4.5 Modos de operação de transistores bipolares

O transistor pode operar em três modos dependendo da tensão em suas junções. Ao operar no modo ativo, a tensão na junção do emissor é direta e na junção do coletor é inversa.

O modo de corte ou bloqueio é obtido aplicando tensão reversa a ambas as junções (ambas as junções pn estão fechadas).

Se a tensão em ambas as junções for direta (ambas as junções pn estão abertas), o transistor opera no modo de saturação.

No modo de corte e no modo de saturação, quase não há controle do transistor. No modo ativo, esse controle é realizado de forma mais eficiente, e o transistor pode desempenhar as funções de elemento ativo de um circuito elétrico (amplificação, geração, etc.).

4.6 Escopo de aplicação

Os transistores bipolares são dispositivos semicondutores para fins universais e são amplamente utilizados em vários amplificadores, geradores, dispositivos de pulso e comutação.

4.7 O estágio amplificador mais simples usando um transistor bipolar

O circuito mais utilizado é ligar um transistor de acordo com um circuito com emissor comum (Fig. 4.7)

Os principais elementos do circuito são a fonte de alimentação Ek, o elemento controlado é o transistor VT e o resistor Rk. Esses elementos formam o circuito principal (saída) do estágio amplificador, no qual, devido ao fluxo de corrente controlada, uma tensão alternada amplificada é criada na saída do circuito.

Os restantes elementos desempenham um papel de apoio. O capacitor Cp é um capacitor de separação. Na ausência deste capacitor no circuito da fonte do sinal de entrada, uma corrente contínua seria criada a partir da fonte de energia Ek.

Figura 4.7 – Diagrama do estágio amplificador mais simples em um transistor bipolar segundo um circuito emissor comum

O resistor RB, conectado ao circuito base, garante a operação do transistor em modo de repouso, ou seja, na ausência de um sinal de entrada. O modo quiescente é garantido pela corrente de base quiescente IB » Ek/RB.

Com a ajuda do resistor Rk, é criada uma tensão de saída, ou seja, Rк desempenha a função de criar uma tensão variável no circuito de saída devido ao fluxo de corrente nele, controlado através do circuito base.

Para o circuito coletor do estágio amplificador, podemos escrever a seguinte equação de estado elétrico:

Ek = Uke + IkRk, (4.10)

isto é, a soma da queda de tensão no resistor Rk e a tensão coletor-emissor Uke do transistor é sempre igual a um valor constante - a fem da fonte de energia Ek.

O processo de amplificação é baseado na conversão da energia de uma fonte de tensão constante Ek em energia de tensão alternada no circuito de saída, alterando a resistência do elemento controlado (transistor) de acordo com a lei especificada pelo sinal de entrada.

Quando uma tensão alternada uin é aplicada à entrada do estágio amplificador, um componente de corrente alternada IB~ é criado no circuito base do transistor, o que significa que a corrente base mudará. Uma mudança na corrente de base leva a uma mudança no valor da corrente do coletor (IK = bIB) e, portanto, a uma mudança nos valores de tensão nas resistências Rk e Uke. As capacidades de amplificação se devem ao fato de que a variação nos valores da corrente do coletor é b vezes maior que a corrente de base.

4.8 Cálculo de circuitos elétricos com transistores bipolares

Para o circuito coletor do estágio amplificador (Fig. 4.7), de acordo com a segunda lei de Kirchhoff, a equação (4.10) é válida.

A característica volt-ampere do resistor coletor RK é linear, e as características volt-ampere do transistor são características não lineares do coletor do transistor (Fig. 4.5, a) conectado de acordo com o circuito OE.

O cálculo de tal circuito não linear, ou seja, a determinação de IK, URK e UKE para vários valores das correntes de base IB e da resistência do resistor RK, pode ser realizado graficamente. Para isso, na família de características do coletor (Fig. 4.5, a), é necessário traçar do ponto EK no eixo das abcissas a característica volt-ampère do resistor RK, satisfazendo a equação:

Uke = Ek − RkIk. (4.11)

Essa característica é construída em dois pontos:

Uke = Ek com Ik = 0 na abcissa e Ik = Ek/Rk com Uke = 0 na ordenada. A característica IV do resistor de coletor Rk construído desta forma é chamada de linha de carga. Os pontos onde ele se cruza com as características do coletor fornecem uma solução gráfica para a equação (4.11) para uma determinada resistência Rк e vários valores da corrente de base IB. A partir desses pontos você pode determinar a corrente de coletor Ik, que é a mesma para o transistor e o resistor Rk, bem como as tensões UKE e URK.

O ponto de intersecção da linha de carga com uma das características estáticas de corrente-tensão é chamado de ponto de operação do transistor. Ao alterar IB, você pode movê-lo ao longo da linha de carga. A posição inicial deste ponto na ausência de um sinal alternado de entrada é chamada de ponto de repouso - T0.

a)b)

Figura 4.8 – Cálculo gráfico-analítico do modo de operação de um transistor utilizando características de saída e entrada.

O ponto de repouso (ponto de operação) T0 determina a corrente ICP e a tensão UCP em modo de repouso. Usando esses valores, você pode encontrar a potência RKP liberada no transistor em modo de repouso, que não deve exceder a potência máxima RK max, que é um dos parâmetros do transistor:

RKP = IKP ×UKEP £ RK máx. (4.12)

Os livros de referência geralmente não fornecem uma família de características de entrada, mas apenas características para UKE = 0 e para alguns UKE > 0.

As características de entrada para vários UCEs superiores a 1V estão localizadas muito próximas umas das outras. Portanto, o cálculo das correntes e tensões de entrada pode ser feito aproximadamente usando a característica de entrada para UCE > 0, retirada do livro de referência.

Os pontos A, To e B da característica operacional de saída são transferidos para esta curva, e os pontos A1, T1 e B1 são obtidos (Fig. 4.8, b). O ponto operacional T1 determina a tensão de base constante UBES e a corrente de base constante IUPS.

A resistência do resistor RB (garante o funcionamento do transistor em modo de repouso), através do qual uma tensão constante será fornecida da fonte EK à base:

(4.13)

No modo ativo (amplificador), o ponto de repouso do transistor To está localizado aproximadamente no meio da seção da linha de carga AB, e o ponto operacional não se estende além da seção AB.

São transistores bipolares. Os circuitos de comutação dependem do tipo de condutividade que possuem (orifício ou eletrônico) e das funções que desempenham.

Classificação

Os transistores são divididos em grupos:

1. Por materiais: arseneto de gálio e silício são os mais usados.
2. Por frequência de sinal: baixa (até 3 MHz), média (até 30 MHz), alta (até 300 MHz), ultra-alta (acima de 300 MHz).
3. Por potência máxima de dissipação: até 0,3 W, até 3 W, mais de 3 W.
4. Por tipo de dispositivo: três camadas conectadas de semicondutores com mudanças alternadas nos métodos direto e reverso de condução de impurezas.

Como funcionam os transistores?

As camadas externa e interna do transistor são conectadas aos eletrodos de alimentação, chamados emissor, coletor e base, respectivamente.

O emissor e o coletor não diferem entre si nos tipos de condutividade, mas o grau de dopagem com impurezas neste último é muito menor. Isso garante um aumento na tensão de saída permitida.

A base, que é a camada intermediária, possui alta resistência por ser feita de um semicondutor levemente dopado. Possui uma área de contato significativa com o coletor, o que melhora a remoção do calor gerado pela polarização reversa da junção, além de facilitar a passagem de portadores minoritários - elétrons. Embora as camadas de transição sejam baseadas no mesmo princípio, o transistor é um dispositivo assimétrico. Ao alterar a localização das camadas externas com a mesma condutividade, é impossível obter parâmetros semelhantes do dispositivo semicondutor.

Os circuitos de comutação são capazes de mantê-lo em dois estados: pode ser aberto ou fechado. No modo ativo, quando o transistor está ligado, a polarização do emissor da junção é feita no sentido direto. Para considerar isso visualmente, por exemplo, em um triodo semicondutor n-p-n, a tensão deve ser aplicada a ele a partir de fontes, conforme mostrado na figura abaixo.

A fronteira na segunda junção do coletor é fechada e nenhuma corrente deve fluir através dela. Mas na prática o oposto acontece devido à proximidade das transições entre si e à sua influência mútua. Como o “menos” da bateria está conectado ao emissor, a junção aberta permite que os elétrons entrem na zona base, onde se recombinam parcialmente com os buracos - os portadores majoritários. Uma corrente de base I b é formada. Quanto mais forte for, proporcionalmente maior será a corrente de saída. Amplificadores que usam transistores bipolares operam com este princípio.

Através da base ocorre apenas o movimento de difusão dos elétrons, já que ali não há ação do campo elétrico. Devido à espessura insignificante da camada (mícrons) e ao grande tamanho das partículas carregadas negativamente, quase todas caem na área do coletor, embora a resistência de base seja bastante elevada. Lá eles são atraídos pelo campo elétrico da transição, que promove sua transferência ativa. As correntes do coletor e do emissor são quase iguais entre si, se desprezarmos a ligeira perda de cargas causada pela recombinação na base: I e = I b + I c.

Parâmetros do transistor

1. Coeficientes de ganho para tensão U eq /U be e corrente: β = I a /I b (valores reais). Normalmente, o coeficiente β não excede 300, mas pode chegar a 800 ou superior.
2. Impedância de entrada.
3. A resposta em frequência é o desempenho de um transistor até uma determinada frequência, acima da qual os processos transitórios nele não acompanham as mudanças no sinal fornecido.

Transistor bipolar: circuitos de comutação, modos de operação

Os modos de operação diferem dependendo de como o circuito é montado. O sinal deve ser aplicado e retirado em dois pontos para cada caso, estando disponíveis apenas três terminais. Segue-se que um eletrodo deve pertencer simultaneamente à entrada e à saída. É assim que qualquer transistor bipolar é ligado. Esquemas de comutação: OB, OE e OK.

1. Esquema com OK

Circuito de conexão com coletor comum: o sinal é fornecido a um resistor R L, que também está incluído no circuito coletor. Esta conexão é chamada de circuito coletor comum.

Esta opção produz apenas ganho de corrente. A vantagem de um seguidor de emissor é a criação de uma alta resistência de entrada (10-500 kOhm), que permite uma correspondência conveniente de estágios.

2. Esquema com OB

Circuito de conexão para transistor bipolar com base comum: o sinal de entrada entra por C 1, e após amplificação é retirado no circuito coletor de saída, onde o eletrodo de base é comum. Neste caso, é criado um ganho de tensão semelhante ao trabalho com OE.

A desvantagem é a baixa resistência de entrada (30-100 Ohms), e o circuito com OB é usado como oscilador.

3. Esquema com OE

Em muitos casos, quando são utilizados transistores bipolares, os circuitos de comutação são feitos predominantemente com um emissor comum. A tensão de alimentação é fornecida através do resistor de carga R L, e o pólo negativo da fonte de alimentação externa é conectado ao emissor.

O sinal alternado da entrada chega aos eletrodos emissor e base (V in), e no circuito coletor torna-se maior em valor (V CE). Os principais elementos do circuito: um transistor, um resistor R L e um circuito de saída do amplificador com alimentação externa. Auxiliar: capacitor C 1, que impede a passagem de corrente contínua para o circuito do sinal de entrada fornecido, e resistor R 1, por meio do qual o transistor abre.

No circuito coletor, as tensões na saída do transistor e no resistor R L são juntas iguais ao valor do EMF: V CC = I C R L + V CE.

Assim, um pequeno sinal V na entrada define a lei da mudança da tensão de alimentação direta em tensão alternada na saída do conversor de transistor controlado. O circuito fornece um aumento na corrente de entrada em 20 a 100 vezes e na tensão em 10 a 200 vezes. Conseqüentemente, o poder também aumenta.

Desvantagem do circuito: baixa resistência de entrada (500-1000 Ohms). Por esta razão, surgem problemas na formação da impedância de saída de 2-20 kOhm.

Os diagramas a seguir demonstram como funciona um transistor bipolar. Se medidas adicionais não forem tomadas, o seu desempenho será bastante afetado por influências externas, como superaquecimento e frequência do sinal. Além disso, o aterramento do emissor cria distorção não linear na saída. Para aumentar a confiabilidade da operação, feedback, filtros, etc. são conectados ao circuito. Nesse caso, o ganho diminui, mas o dispositivo se torna mais eficiente.

Modos de operação

As funções do transistor são afetadas pelo valor da tensão conectada. Todos os modos de operação podem ser mostrados se for utilizado o circuito apresentado anteriormente para conectar um transistor bipolar com um emissor comum.

1. Modo de corte

Este modo é criado quando o valor da tensão V BE diminui para 0,7 V. Neste caso, a junção do emissor fecha e não há corrente de coletor, pois não há elétrons livres na base. Assim, o transistor é desligado.

2. Modo ativo

Se uma tensão suficiente para ligar o transistor for aplicada à base, aparece uma pequena corrente de entrada e uma corrente de saída aumentada, dependendo da magnitude do ganho. Então o transistor funcionará como um amplificador.

3. Modo de saturação

O modo difere do ativo porque o transistor abre completamente e a corrente do coletor atinge o valor máximo possível. Seu aumento só pode ser alcançado alterando o EMF aplicado ou a carga no circuito de saída. Quando a corrente de base muda, a corrente do coletor não muda. O modo de saturação é caracterizado pelo fato do transistor estar extremamente aberto, e aqui serve como uma chave no estado ligado. Os circuitos para ligar transistores bipolares ao combinar os modos de corte e saturação permitem criar interruptores eletrônicos com a ajuda deles.

Todos os modos de operação dependem da natureza das características de saída mostradas no gráfico.

Eles podem ser claramente demonstrados se um circuito para ligar um transistor bipolar com um OE for montado.

Se você traçar nos eixos de ordenadas e abcissas os segmentos correspondentes à corrente máxima possível do coletor e ao valor da tensão de alimentação V CC e, em seguida, conectar suas extremidades entre si, obterá uma linha de carga (vermelha). É descrito pela expressão: I C = (V CC - V CE)/R C. Segue-se da figura que o ponto de operação, que determina a corrente de coletor IC e a tensão V CE, mudará ao longo da linha de carga de baixo para cima à medida que a corrente de base I V aumenta.

A área entre o eixo V CE e a primeira característica de saída (sombreada), onde I B = 0, caracteriza o modo de corte. Neste caso, a corrente reversa I C é insignificante e o transistor está fechado.

A característica superior no ponto A cruza com a carga direta, após o que, com um aumento adicional em I B, a corrente do coletor não muda mais. A zona de saturação no gráfico é a área sombreada entre o eixo I C e a característica mais íngreme.

Como um transistor se comporta em diferentes modos?

O transistor opera com sinais variáveis ​​ou constantes que entram no circuito de entrada.

Transistor bipolar: circuitos de comutação, amplificador

Na maior parte, o transistor serve como amplificador. Um sinal alternado na entrada faz com que sua corrente de saída mude. Aqui você pode usar esquemas com OK ou OE. O sinal requer uma carga no circuito de saída. Normalmente, um resistor é usado no circuito coletor de saída. Se for escolhido corretamente, a tensão de saída será significativamente maior que a de entrada.

A operação do amplificador é claramente visível nos diagramas de temporização.

Quando os sinais de pulso são convertidos, o modo permanece o mesmo dos sinais senoidais. A qualidade da conversão de seus componentes harmônicos é determinada pelas características de frequência dos transistores.

Operação em modo switch

Projetado para comutação sem contato de conexões em circuitos elétricos. O princípio é alterar a resistência do transistor em etapas. O tipo bipolar é bastante adequado aos requisitos do dispositivo principal.

Conclusão

Elementos semicondutores são usados ​​em circuitos de conversão de sinais elétricos. Capacidades universais e grande classificação permitem que os transistores bipolares sejam amplamente utilizados. Os circuitos de comutação determinam suas funções e modos de operação. Muito também depende das características.

Os circuitos básicos de comutação dos transistores bipolares amplificam, geram e convertem sinais de entrada e também comutam circuitos elétricos.

Transistor

Um transistor é um dispositivo semicondutor que permite controlar um sinal mais forte usando um sinal fraco. Por causa dessa propriedade, costuma-se falar sobre a capacidade de um transistor amplificar um sinal. Embora na verdade não melhore nada, simplesmente permite ligar e desligar uma corrente grande com correntes muito mais fracas. Os transistores são muito comuns na eletrônica, porque a saída de qualquer controlador raramente pode produzir uma corrente superior a 40 mA, portanto, mesmo 2-3 LEDs de baixa potência não podem ser alimentados diretamente pelo microcontrolador. É aqui que os transistores vêm em socorro. O artigo discute os principais tipos de transistores, as diferenças entre transistores bipolares P-N-P e N-P-N, transistores de efeito de campo de canal P e canal N, discute as principais sutilezas da conexão de transistores e revela seu escopo de aplicação.

Não confunda um transistor com um relé. Um relé é um interruptor simples. A essência do seu trabalho é fechar e abrir contatos metálicos. O transistor é mais complexo e seu funcionamento é baseado em uma transição elétron-buraco. Se você estiver interessado em aprender mais sobre isso, pode assistir a um excelente vídeo que descreve o funcionamento de um transistor do simples ao complexo. Não se confunda com o ano em que o vídeo foi produzido - as leis da física não mudaram desde então, e não foi possível encontrar um vídeo mais recente que apresente o material tão bem:

Tipos de transistores

Transistor bipolar

O transistor bipolar é projetado para controlar cargas fracas (por exemplo, motores e servos de baixa potência). Sempre tem três saídas:

Coletor - é fornecida uma alta tensão, que o transistor controla

• Base - a corrente é fornecida ou desligada para abrir ou fechar o transistor

Emissor (Inglês: emissor) - saída de “saída” de um transistor. A corrente flui através dele do coletor e da base.

O transistor bipolar é controlado por corrente. Quanto mais corrente for fornecida à base, mais corrente fluirá do coletor para o emissor. A relação entre a corrente que passa do emissor para o coletor e a corrente na base do transistor é chamada de ganho. Denotado como h-fe (na literatura inglesa é chamado de ganho).

Por exemplo, se h-fe= 150, e 0,2 mA passa pela base, então o transistor passará no máximo 30 mA por si mesmo. Se um componente que consome 25 mA (como um LED) estiver conectado, 25 mA serão fornecidos a ele. Se for conectado um componente que consome 150 mA, ele só será fornecido com o máximo de 30 mA. A documentação do contato indica os valores máximos permitidos de correntes e tensões base-> emissor E colecionador -> emissor . Exceder esses valores leva ao superaquecimento e falha do transistor.

Imagens engraçadas:

Transistores bipolares NPN e PNP

Existem 2 tipos de transistores polares: NPN E PNP. Eles diferem na alternância de camadas. N (de negativo) é uma camada com excesso de portadores de carga negativa (elétrons), P (de positivo) é uma camada com excesso de portadores de carga positiva (buracos). Mais informações sobre elétrons e lacunas são descritas no vídeo acima.

O comportamento dos transistores depende da alternância de camadas. A animação acima mostra NPN transistor. EM PNP o controle do transistor é o contrário - a corrente flui através do transistor quando a base está aterrada e é bloqueada quando a corrente passa pela base. Como mostrado no diagrama PNP E NPN diferem na direção da seta. A seta sempre aponta para a transição de N Para P:

Designação dos transistores NPN (esquerda) e PNP (direita) no diagrama

Os transistores NPN são mais comuns na eletrônica porque são mais eficientes.

Transistor de efeito de campo

Os transistores de efeito de campo diferem dos transistores bipolares em sua estrutura interna. Os transistores MOS são os mais comuns na eletrônica amadora. MOS é um acrônimo para condutor de óxido metálico. O mesmo em inglês: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, abreviado como MOSFET. Os transistores MOS permitem controlar altas potências com tamanhos relativamente pequenos do próprio transistor. O transistor é controlado por tensão, não por corrente. Como o transistor é controlado por energia elétrica campo, o transistor recebeu esse nome - campo uivo.

Os transistores de efeito de campo têm pelo menos 3 terminais:

Dreno - é aplicada alta tensão a ele, que você deseja controlar

Gate - a tensão é aplicada a ele para controlar o transistor

Fonte - a corrente flui através dele vindo do dreno quando o transistor está “aberto”

Deve haver uma animação com um transistor de efeito de campo, mas não será diferente de um transistor bipolar, exceto pela exibição esquemática dos próprios transistores, portanto não haverá animação.

Transistores de efeito de campo de canal N e canal P

Os transistores de efeito de campo também são divididos em 2 tipos, dependendo do dispositivo e do comportamento. canal N(canal N) abre quando a tensão é aplicada ao portão e fecha. quando não há tensão. Canal P(Canal P) funciona ao contrário: enquanto não há tensão na porta, a corrente flui através do transistor. Quando a tensão é aplicada ao portão, a corrente para. No diagrama, os transistores de efeito de campo são representados de maneira um pouco diferente:

Por analogia com os transistores bipolares, os transistores de campo diferem na polaridade. O transistor N-Channel foi descrito acima. Eles são os mais comuns.

O Canal P quando designado difere na direção da seta e, novamente, tem um comportamento “invertido”.

Existe um equívoco de que um transistor de efeito de campo pode controlar a corrente alternada. Isto está errado. Para controlar a corrente alternada, use um relé.

Transistor Darlington

Não é totalmente correto classificar o transistor Darlington como um tipo separado de transistor. Porém, é impossível não mencioná-los neste artigo. O transistor Darlington é mais frequentemente encontrado na forma de um microcircuito que inclui vários transistores. Por exemplo, ULN2003. O transistor Darlington é caracterizado pela capacidade de abrir e fechar rapidamente (e, portanto, permite trabalhar com) e ao mesmo tempo suportar altas correntes. É um tipo de transistor composto e é uma conexão em cascata de dois ou, raramente, mais transistores conectados de tal forma que a carga no emissor do estágio anterior seja a junção base-emissor do transistor do próximo estágio, que ou seja, os transistores são conectados por coletores e o emissor do transistor de entrada é conectado ao dia de folga base. Além disso, a carga resistiva do emissor do transistor anterior pode ser utilizada como parte do circuito para acelerar o fechamento. Tal conexão como um todo é considerada como um transistor, cujo ganho de corrente, quando os transistores estão operando no modo ativo, é aproximadamente igual ao produto dos ganhos de todos os transistores.

Conexão de transistor

Não é segredo que a placa Arduino é capaz de fornecer uma tensão de 5 V na saída com corrente máxima de até 40 mA. Esta corrente não é suficiente para conectar uma carga poderosa. Por exemplo, se você tentar conectar uma faixa de LED ou motor diretamente à saída, você certamente danificará a saída do Arduino. É possível que todo o conselho falhe. Além disso, alguns componentes conectados podem exigir mais de 5 V para funcionar. O transistor resolve esses dois problemas. Ajudará, usando uma pequena corrente do pino do Arduino, a controlar uma corrente poderosa de uma fonte de alimentação separada, ou usando uma tensão de 5 V para controlar uma tensão mais alta (mesmo os transistores mais fracos raramente têm uma tensão máxima abaixo de 50 V) . Como exemplo, considere conectar um motor:

No diagrama acima, o motor está conectado a uma fonte de alimentação separada. Entre o contato do motor e a fonte de alimentação do motor, colocamos um transistor, que será controlado através de qualquer pino digital do Arduino. Quando aplicamos um sinal ALTO à saída do controlador, usaremos uma corrente muito pequena para abrir o transistor, e uma grande corrente fluirá através do transistor e não danificará o controlador. Preste atenção no resistor instalado entre o pino do Arduino e a base do transistor. É necessário limitar a corrente que flui ao longo da rota microcontrolador - transistor - terra e evitar curtos-circuitos. Conforme mencionado anteriormente, a corrente máxima que pode ser extraída do pino do Arduino é 40 mA. Portanto, precisaremos de um resistor de pelo menos 125 Ohm (5V/0,04A=125 Ohm). Você pode usar com segurança um resistor de 220 Ohm. Na verdade, o resistor deve ser selecionado levando-se em consideração a corrente que deve ser fornecida à base para obter a corrente necessária através do transistor. Para selecionar o resistor correto, você precisa levar em consideração o fator de ganho ( h-fe).

IMPORTANTE!! Se você conectar uma carga poderosa de uma fonte de alimentação separada, precisará conectar fisicamente o aterramento (“menos”) da fonte de alimentação da carga e o aterramento (pino “GND”) do Arduino. Caso contrário, você não conseguirá controlar o transistor.

Ao usar um transistor de efeito de campo, não é necessário um resistor limitador de corrente na porta. O transistor é controlado apenas por tensão e nenhuma corrente flui através da porta.

Saudações, queridos amigos! Hoje falaremos sobre transistores bipolares e as informações serão úteis principalmente para iniciantes. Então, se você está interessado no que é um transistor, seu princípio de funcionamento e para que serve em geral, pegue uma cadeira mais confortável e chegue mais perto.

Vamos continuar, e já temos conteúdo aqui, será mais cômodo navegar no artigo :)

Tipos de transistores

Os transistores são principalmente de dois tipos: transistores bipolares e transistores de efeito de campo. Claro, foi possível considerar todos os tipos de transistores em um artigo, mas não quero cozinhar mingau na sua cabeça. Portanto, neste artigo veremos exclusivamente os transistores bipolares, e falarei sobre os transistores de efeito de campo em um dos artigos seguintes. Não vamos juntar tudo, mas prestar atenção em cada um individualmente.

Transistor bipolar

O transistor bipolar é descendente dos triodos valvulados, aqueles que existiam nas televisões do século XX. Os triodos caíram no esquecimento e deram lugar a irmãos mais funcionais - transistores, ou melhor, transistores bipolares.

Com raras exceções, os triodos são usados ​​em equipamentos para amantes da música.

Os transistores bipolares podem ser assim.

Como você pode ver, os transistores bipolares possuem três terminais e estruturalmente podem parecer completamente diferentes. Mas nos diagramas elétricos eles parecem simples e sempre iguais. E todo esse esplendor gráfico se parece com isto.

Esta imagem de transistores também é chamada de UGO (símbolo gráfico convencional).

Além disso, os transistores bipolares podem ter diferentes tipos de condutividade. Existem transistores do tipo NPN e do tipo PNP.

A diferença entre um transistor n-p-n e um transistor p-n-p é apenas que ele é um “portador” de carga elétrica (elétrons ou “buracos”). Aqueles. Para um transistor pnp, os elétrons se movem do emissor para o coletor e são acionados pela base. Para um transistor npn, os elétrons vão do coletor ao emissor e são controlados pela base. Como resultado, chegamos à conclusão de que para substituir um transistor de um tipo de condutividade por outro em um circuito, basta alterar a polaridade da tensão aplicada. Ou mude estupidamente a polaridade da fonte de energia.

Os transistores bipolares possuem três terminais: coletor, emissor e base. Acho que será difícil se confundir com o UGO, mas em um transistor real é mais fácil do que nunca se confundir.

Normalmente, o local onde a saída é determinada é no livro de referência, mas você pode simplesmente . Os terminais do transistor soam como dois diodos conectados em um ponto comum (na área da base do transistor).

À esquerda está uma imagem de um transistor do tipo p-n-p; ao testar, você tem a sensação (através das leituras do multímetro) de que à sua frente estão dois diodos conectados em um ponto por seus cátodos. Para um transistor npn, os diodos no ponto base são conectados por seus ânodos. Acho que depois de experimentar um multímetro ficará mais claro.

Princípio de funcionamento de um transistor bipolar

Agora tentaremos descobrir como funciona um transistor. Não entrarei em detalhes da estrutura interna dos transistores pois esta informação só irá confundir. Melhor dar uma olhada neste desenho.

Esta imagem explica melhor o princípio de funcionamento de um transistor. Nesta imagem, uma pessoa controla a corrente do coletor usando um reostato. Ele olha a corrente de base; se a corrente de base aumenta, a pessoa também aumenta a corrente do coletor, levando em consideração o ganho do transistor h21E. Se a corrente de base cair, a corrente do coletor também diminuirá - a pessoa corrigirá isso usando um reostato.

Essa analogia nada tem a ver com o funcionamento real de um transistor, mas facilita a compreensão dos princípios de seu funcionamento.

Para transistores, podem ser observadas regras para ajudar a tornar as coisas mais fáceis de entender. (Essas regras foram retiradas do livro).

1. O coletor tem um potencial mais positivo que o emissor
2. Como já disse, os circuitos base-coletor e base-emissor funcionam como diodos
3. Cada transistor é caracterizado por valores limites como corrente de coletor, corrente de base e tensão coletor-emissor.
4. Se as regras 1-3 forem seguidas, então a corrente de coletor Ik é diretamente proporcional à corrente de base Ib. Essa relação pode ser escrita como uma fórmula.

A partir desta fórmula podemos expressar a propriedade principal de um transistor - uma pequena corrente de base controla uma grande corrente de coletor.

Ganho atual.

Também é denotado como

Com base no exposto, o transistor pode operar em quatro modos:

1. Modo de corte do transistor— neste modo a junção base-emissor está fechada, isto pode acontecer quando a tensão base-emissor é insuficiente. Como resultado, não há corrente de base e, portanto, também não haverá corrente de coletor.
2. Modo ativo do transistor- este é o modo normal de operação do transistor. Neste modo, a tensão base-emissor é suficiente para causar a abertura da junção base-emissor. A corrente de base é suficiente e a corrente de coletor também está disponível. A corrente do coletor é igual à corrente de base multiplicada pelo ganho.
3. Modo de saturação do transistor - O transistor muda para este modo quando a corrente de base se torna tão grande que a potência da fonte de energia simplesmente não é suficiente para aumentar ainda mais a corrente do coletor. Neste modo, a corrente do coletor não pode aumentar após um aumento na corrente de base.
4. Modo transistor inverso— este modo é usado muito raramente. Neste modo, o coletor e o emissor do transistor são trocados. Como resultado de tais manipulações, o ganho do transistor sofre muito. O transistor não foi originalmente projetado para operar nesse modo especial.

Para entender como funciona um transistor, você precisa olhar exemplos de circuitos específicos, então vamos dar uma olhada em alguns deles.

Transistor em modo switch

Um transistor em modo chaveado é um dos casos de circuitos de transistor com emissor comum. O circuito de transistor no modo de comutação é usado com muita frequência. Este circuito transistorizado é utilizado, por exemplo, quando é necessário controlar uma carga potente por meio de um microcontrolador. A perna do controlador não é capaz de puxar uma carga poderosa, mas o transistor pode. Acontece que o controlador controla o transistor e o transistor controla uma carga poderosa. Bem, primeiro as primeiras coisas.

A ideia principal deste modo é que a corrente de base controle a corrente do coletor. Além disso, a corrente do coletor é muito maior que a corrente da base. Aqui você pode ver a olho nu que o sinal atual é amplificado. Esta amplificação é realizada utilizando a energia da fonte de alimentação.

A figura mostra um diagrama da operação de um transistor no modo de comutação.

Para circuitos de transistores, as tensões não desempenham um grande papel, apenas as correntes são importantes. Portanto, se a relação entre a corrente do coletor e a corrente de base for menor que o ganho do transistor, então está tudo bem.

Nesse caso, mesmo que tenhamos uma tensão de 5 volts aplicada na base e 500 volts no circuito coletor, nada de ruim acontecerá, o transistor comutará obedientemente a carga de alta tensão.

O principal é que essas tensões não ultrapassem os valores limites de um transistor específico (definidos nas características do transistor).

Até onde sabemos, o valor da corrente é uma característica da carga.

Não sabemos a resistência da lâmpada, mas sabemos que a corrente operacional da lâmpada é 100 mA. Para que o transistor abra e permita que essa corrente flua, você precisa selecionar a corrente de base apropriada. Podemos ajustar a corrente de base alterando o valor do resistor de base.

Como o valor mínimo do ganho do transistor é 10, para que o transistor abra, a corrente de base deve ser de 10 mA.

A corrente que precisamos é conhecida. A tensão no resistor de base será Este valor de tensão no resistor se deve ao fato de que 0,6 V-0,7 V cai na junção base-emissor e não devemos esquecer de levar isso em consideração.

Como resultado, podemos facilmente encontrar a resistência do resistor

Resta apenas escolher um valor específico entre vários resistores e pronto.

Agora você provavelmente pensa que a chave do transistor funcionará como deveria? Que quando o resistor de base é ligado em +5 V a lâmpada acende, quando é desligado a lâmpada apaga? A resposta pode ou não ser sim.

O problema é que há uma pequena nuance aqui.

A lâmpada apagará quando o potencial do resistor for igual ao potencial do terra. Se o resistor for simplesmente desconectado da fonte de tensão, nem tudo será tão simples. A tensão no resistor de base pode surgir milagrosamente como resultado de interferência ou de algum outro espírito maligno de outro mundo :)

Para evitar que esse efeito aconteça, faça o seguinte. Outro resistor Rbe está conectado entre a base e o emissor. Este resistor é escolhido com um valor pelo menos 10 vezes maior que o resistor de base Rb (no nosso caso, pegamos um resistor de 4,3 kOhm).

Quando a base está conectada a qualquer tensão, o transistor funciona como deveria, o resistor Rbe não interfere nele. Este resistor consome apenas uma pequena porção da corrente de base.

No caso em que não é aplicada tensão na base, a base é puxada até o potencial de terra, o que nos salva de todo tipo de interferência.

Então, em princípio, descobrimos a operação do transistor no modo chave e, como você pode ver, o modo chave de operação é uma espécie de amplificação de tensão do sinal. Afinal, controlamos uma tensão de 12 V usando uma tensão baixa de 5V.

Seguidor de emissor

Um seguidor de emissor é um caso especial de circuitos de transistor de coletor comum.

Uma característica distintiva de um circuito com coletor comum de um circuito com emissor comum (opção com chave de transistor) é que este circuito não amplifica o sinal de tensão. O que entrou pela base saiu pelo emissor, com a mesma voltagem.

Na verdade, digamos que aplicamos 10 volts à base, embora saibamos que na junção base-emissor cai algo em torno de 0,6-0,7V. Acontece que na saída (no emissor, na carga Rн) haverá uma tensão base de menos 0,6V.

Acabou sendo 9,4V, em uma palavra, quase tanto quanto entrou e saiu. Certificamo-nos de que este circuito não aumentará a tensão para nós.

“Qual é o sentido de ligar o transistor assim?” Mas acontece que este esquema tem outra propriedade muito importante. O circuito para conectar um transistor a um coletor comum amplifica o sinal em termos de potência. A potência é o produto da corrente e da tensão, mas como a tensão não muda, então a potência aumenta apenas devido à corrente! A corrente de carga é a soma da corrente de base mais a corrente do coletor. Mas se você comparar a corrente de base e a corrente de coletor, a corrente de base é muito pequena comparada à corrente de coletor. Acontece que a corrente de carga é igual à corrente do coletor. E o resultado é esta fórmula.

Agora acho que está claro qual é a essência do circuito seguidor de emissor, mas isso não é tudo.

O seguidor de emissor possui outra qualidade muito valiosa - alta impedância de entrada. Isso significa que este circuito de transistor quase não consome corrente de entrada e não cria carga no circuito fonte de sinal.

Para entender o princípio de funcionamento de um transistor, esses dois circuitos de transistor serão suficientes. E se você fizer experiências com um ferro de soldar nas mãos, a epifania simplesmente não o deixará esperando, porque teoria é teoria, e a prática e a experiência pessoal são centenas de vezes mais valiosas!

Onde posso comprar transistores?

Como todos os outros componentes de rádio, os transistores podem ser adquiridos em qualquer loja de peças de rádio próxima. Se você mora em algum lugar na periferia e nunca ouviu falar dessas lojas (como eu antes), resta a última opção - encomendar transistores em uma loja online. Eu próprio costumo encomendar componentes de rádio em lojas online, porque algo pode simplesmente não estar disponível em uma loja offline normal.

No entanto, se você estiver montando um dispositivo exclusivamente para você, não poderá se preocupar com isso, mas extraí-lo do antigo e, por assim dizer, dar nova vida ao antigo componente de rádio.

Bem, amigos, isso é tudo para mim. Eu te contei tudo o que planejei hoje. Se você tiver alguma dúvida, pergunte nos comentários, se não tiver, escreva comentários mesmo assim, sua opinião é sempre importante para mim. Aliás, não esqueça que todo mundo que deixar um comentário pela primeira vez receberá um presente.

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De n/a Vladimir Vasiliev

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Nesta série de artigos tentaremos falar de forma simples e clara sobre componentes complexos como os transistores.

Hoje, esse elemento semicondutor é encontrado em quase todas as placas de circuito impresso, em qualquer dispositivo eletrônico (celulares, rádios, computadores e outros eletrônicos). Os transistores são a base para a construção de chips lógicos, memória, microprocessadores... Então vamos descobrir o que é esse milagre, como funciona e o que causa uma gama tão ampla de suas aplicações.

Um transistor é um componente eletrônico feito de material semicondutor, geralmente com três terminais, que permite que um sinal de entrada controle a corrente.

Muitas pessoas acreditam que um transistor amplifica o sinal de entrada. Apresso-me em decepcioná-lo - sozinhos, sem uma fonte de alimentação externa, os transistores não amplificarão nada (a lei da conservação da energia ainda não foi cancelada). Você pode construir um amplificador usando um transistor, mas esta é apenas uma de suas aplicações, e para obter um sinal amplificado é necessário um circuito especial, que é projetado e calculado sob certas condições, além de uma fonte de energia.

Por si só, o transistor só pode controlar a corrente.

Qual é a coisa mais importante que você precisa saber? Os transistores são divididos em 2 grandes grupos: bipolares e de efeito de campo. Esses 2 grupos diferem em estrutura e princípio de funcionamento, por isso falaremos sobre cada um desses grupos separadamente.

Então o primeiro grupo é transistores bipolares.

Esses transistores consistem em três camadas de semicondutores e são divididos em 2 tipos de acordo com sua estrutura: pnp E npn. O primeiro tipo (pnp) às vezes é chamado de transistores diretos, e o segundo tipo (npn) é chamado de transistores reversos.

O que essas letras significam? Como esses transistores são diferentes? E por que exatamente duas condutividades? Como sempre, a verdade está em algum lugar. Tudo que é engenhoso é simples. N - negativo (Inglês) - negativo. P - positivo (Inglês) - positivo. Esta é uma designação dos tipos de condutividade das camadas semicondutoras que compõem o transistor. “Positivo” é uma camada de semicondutor com condutividade “buraco” (na qual os principais portadores de carga têm sinal positivo), “negativo” é uma camada de semicondutor com condutividade “eletrônica” (na qual os principais portadores de carga têm
sinal negativo).

A estrutura e designação dos transistores bipolares nos diagramas são mostradas na figura à direita. Cada saída tem seu próprio nome. E - emissor, K - coletor, B - base. Como descobrir a saída básica no diagrama? Facilmente. É designado pela plataforma na qual repousam o coletor e o emissor. Como você pode descobrir o emissor? Também é fácil, esta é a saída com uma seta. O pino restante é o coletor. A seta no emissor sempre mostra a direção da corrente. Conseqüentemente, para transistores npn, a corrente flui através do coletor e da base, e flui para fora do emissor, para os transistores pnp, ao contrário, a corrente flui através do emissor e sai através do coletor e da base;

Vamos mergulhar mais fundo na teoria... Três camadas de semicondutor formam duas junções pn no transistor. Um fica entre o emissor e a base, costuma ser chamado de emissor, o segundo fica entre o coletor e a base, costuma ser chamado de coletor.

Em cada uma das duas junções pn pode haver polarização direta ou reversa, portanto, na operação do transistor existem quatro modos principais, dependendo da polarização das junções pn (lembre-se sim, se estiver no lado com condutividade tipo p a tensão é maior do que no lado com condutividade do tipo n, então esta é uma polarização direta da junção pn, se for o contrário, então o oposto). Abaixo, nas figuras que ilustram cada modo, as setas mostram a direção da tensão mais alta para a mais baixa (esta não é a direção da corrente!). Isso facilita a navegação: se a seta estiver direcionada de “p” para “n”, esta é uma polarização direta da junção pn, se de “n” para “p”, esta é uma polarização reversa.

Modos de operação de um transistor bipolar:

1) Se a junção pn do emissor estiver polarizada diretamente e a junção do coletor estiver polarizada inversamente, então o transistor está em modo ativo normal(às vezes eles simplesmente dizem “modo ativo”, omitindo a palavra normal). Neste modo, a corrente do coletor depende da corrente de base e está relacionada a ela pela seguinte relação: Ik=Ib*β. O modo ativo é usado na construção de amplificadores transistorizados.

2) Se ambas as junções estiverem polarizadas diretamente, o transistor está em modo de saturação. Neste caso, a corrente do coletor deixa de depender da corrente de base de acordo com a fórmula acima (na qual havia um coeficiente β), deixa de aumentar, mesmo que a corrente de base continue a aumentar. Neste caso, diz-se que o transistor está totalmente aberto ou simplesmente aberto. Quanto mais nos aprofundamos na região de saturação, mais a dependência Ik=Ib*β se quebra. Externamente, parece que o coeficiente β está diminuindo. Direi também que existe um coeficiente de saturação. É definido como a razão entre a corrente de base real (aquela que você possui atualmente) e a corrente de base no estado limítrofe entre ativo e saturação.

3) Se tivermos polarização reversa em ambas as junções, o transistor está em modo de corte. Ao mesmo tempo, nenhuma corrente flui através dele (com exceção de correntes de fuga muito pequenas - correntes reversas através de junções pn). Neste caso, diz-se que o transistor está completamente desligado ou simplesmente desligado. Os modos de saturação e corte são usados ​​​​na construção de chaves de transistor.

4) Se a junção do emissor estiver polarizada reversamente e a junção do coletor estiver polarizada diretamente, então o transistor cai em modo ativo inverso. Este modo é bastante exótico e raramente usado. Apesar de em nossos desenhos o emissor não diferir do coletor e de fato deverem ser equivalentes (olhe novamente o desenho superior - à primeira vista nada mudará se você trocar o coletor e o emissor), na verdade eles têm Existem diferenças de design (por exemplo, em tamanho) e não são equivalentes. É por causa dessa disparidade que existe uma divisão em “modo ativo normal” e “modo ativo inverso”.

Por vezes também é identificado um quinto, o chamado “regime de barreira”. Neste caso, a base do transistor está em curto com o coletor. Na verdade, seria mais correto falar não de algum modo especial, mas de uma forma especial de ligar. O modo aqui é bastante normal - próximo ao estado limítrofe entre o modo ativo e a saturação. Pode ser obtido não apenas curto-circuitando a base com o coletor. Nesse caso específico, o truque é que, com esse método de comutação, não importa como alteremos a tensão de alimentação ou a carga, o transistor ainda permanecerá nesse modo limítrofe. Ou seja, o transistor neste caso será equivalente a um diodo.

O transistor bipolar é controlado por corrente. Ou seja, para que a corrente flua entre o coletor e o emissor (ou seja, para que o transistor abra), a corrente deve fluir entre o emissor e a base (ou entre o coletor e a base - para modo inverso). Além disso, a magnitude da corrente de base e a corrente máxima possível através do coletor (com tal corrente de base) estão relacionadas por um coeficiente constante β (coeficiente de transferência de corrente de base): I B * β = I K .

Além do parâmetro β, outro coeficiente é utilizado: o coeficiente de transferência de corrente do emissor (α). É igual à razão entre a corrente do coletor e a corrente do emissor: α=Iк/Iе. O valor deste coeficiente costuma ser próximo de um (quanto mais próximo de um, melhor). Os coeficientes α e β estão relacionados entre si pela seguinte relação: β=α/(1-α).

Nos livros de referência nacionais, em vez do coeficiente β, o coeficiente h 21E (ganho de corrente em um circuito com emissor comum) é frequentemente indicado na literatura estrangeira, às vezes em vez de β você pode encontrar h FE; Está tudo bem, geralmente podemos assumir que todos esses coeficientes são iguais e muitas vezes são chamados simplesmente de “ganho do transistor”.

O que isso nos dá e por que precisamos disso? A figura à esquerda mostra os circuitos mais simples. Eles são equivalentes, mas são construídos com transistores de condutividades diferentes. Também estão presentes: uma carga em forma de lâmpada incandescente, um resistor variável e um resistor fixo.

Vejamos o diagrama esquerdo. O que está acontecendo lá? Vamos imaginar que o controle deslizante do resistor variável esteja na posição superior. Neste caso, a tensão na base do transistor é igual à tensão no emissor, a corrente de base é zero, portanto a corrente do coletor também é zero (I K = β*I B) - o transistor está fechado, a lâmpada faz Não leve. Começamos a abaixar o controle deslizante
- a tensão nele começa a cair mais baixa do que no emissor - aparece uma corrente do emissor para a base (corrente de base) e ao mesmo tempo - uma corrente do emissor para o coletor (o transistor começará a abrir). A lâmpada começa a brilhar, mas não com intensidade total. Quanto mais baixo movermos o controle deslizante do resistor variável, mais brilhante será a lâmpada.

E então, atenção! Se começarmos a mover o controle deslizante do resistor variável para cima, o transistor começará a fechar e as correntes do emissor para a base e do emissor para o coletor começarão a diminuir. No diagrama certo, tudo é igual, apenas com um transistor de condutividade diferente.

O modo de operação considerado do transistor está ativo. Qual é o objetivo? A corrente controla a corrente? Exatamente, mas o truque é que o coeficiente β pode ser medido em dezenas e
até centenas. Ou seja, para alterar bastante a corrente que flui do emissor para o coletor, precisamos apenas alterar ligeiramente a corrente que flui do emissor para a base.

No modo ativo, o transistor (com fiação apropriada) é usado como amplificador.

Estamos cansados... vamos descansar um pouco...

E avance novamente!

Agora vamos ver como um transistor funciona como uma chave. Vejamos o diagrama esquerdo. Deixe a chave S ser fechada na posição 1. Neste caso, a base do transistor através do resistor R é atraída para a potência positiva, portanto não há corrente entre o emissor e a base e o transistor é fechado. Vamos imaginar que movemos a chave S para a posição 2. A tensão na base torna-se menor que no emissor - surge uma corrente entre o emissor e a base (seu valor é determinado pela resistência R). Uma corrente FE surge imediatamente. O transistor abre e a lâmpada acende. Se retornarmos a chave S para a posição 1 novamente, o transistor fechará e a lâmpada apagará. (no diagrama da direita tudo é igual, apenas o transistor tem uma condutividade diferente)

Neste caso, diz-se que o transistor atua como uma chave. Qual é o objetivo? O transistor alterna entre dois estados - aberto e fechado. Normalmente, ao usar um transistor como chave, eles tentam garantir que no estado aberto o transistor esteja próximo da saturação (ao mesmo tempo, a queda de tensão entre o coletor e o emissor e, portanto, as perdas no transistor, é mínimo). Para este propósito, o resistor limitador no circuito base é calculado de maneira especial. Estados de saturação profunda e corte profundo geralmente são evitados, pois neste caso aumenta o tempo para mudar a tonalidade de um estado para outro.

Um pequeno exemplo de cálculos. Vamos imaginar que controlamos uma lâmpada incandescente de 12V, 50mA através de um transistor. Nosso transistor atua como uma chave, portanto, no estado aberto, deve estar próximo da saturação. Não levaremos em consideração a queda de tensão entre o coletor e o emissor, pois para o modo de saturação é uma ordem de grandeza menor que a tensão de alimentação. Como uma corrente de 50 mA flui pela lâmpada, precisamos escolher um transistor com corrente EC máxima de pelo menos 62,5 mA (geralmente é recomendado usar componentes com 75% de seus parâmetros máximos, isso é uma espécie de reserva) . Abra o diretório e procure um transistor pnp adequado. Por exemplo KT361. No nosso caso, em termos de corrente, são adequados com os índices de letras “a, b, c, d”, já que a tensão máxima do EC é de 20V, mas no nosso problema é de apenas 12V.

Vamos supor que usaremos KT361A, com ganho de 20 a 90. Como precisamos que o transistor tenha a garantia de abertura completa, usaremos o mínimo Kus = 20 no cálculo. Agora pensamos. Qual corrente mínima deve fluir entre o emissor e a base para fornecer uma corrente de 50 mA através do CE?

50 mA / 20 vezes = 2,5 mA

Qual resistor limitador de corrente deve ser instalado para passar uma corrente de 2,5 mA pelo BE?

Tudo é simples aqui. Lei de Ohm: I=U/R. Portanto R = (alimentação de 12 V - perda de 0,65 V na junção pn BE) / 0,0025 A = 4540 Ohm. Como 2,5 mA é a corrente mínima que em nosso caso deve fluir do emissor para a base, é necessário selecionar o resistor de menor resistência mais próximo da faixa padrão. Por exemplo, com um desvio de 5% seria um resistor de 4,3 kOhm.

Agora sobre a corrente. Para acender uma lâmpada com corrente nominal de 50 mA, precisamos comutar uma corrente de apenas 2,5 mA. E isso quando se utiliza um transistor de bens de consumo, barato, com baixo Kus, desenvolvido há 40 anos. Você sente a diferença? Quanto as dimensões dos interruptores (e, portanto, seu custo) podem ser reduzidas ao usar transistores.

Voltemos à teoria novamente.

Nos exemplos discutidos acima, usamos apenas um dos circuitos de comutação de transistores. No total, dependendo de onde fornecemos o sinal de controle e de onde retiramos o sinal de saída (em qual eletrodo é comum para esses sinais), existem 3 circuitos principais para ligar transistores bipolares (bem, lógico, certo? - o transistor tem 3 saídas, isso significa que se você dividir os circuitos de acordo com o princípio de que um dos terminais é comum, então pode haver 3 circuitos no total):

1) Circuito emissor comum.

Se assumirmos que a corrente de entrada é a corrente de base, a tensão de entrada é a tensão na junção BE, a corrente de saída é a corrente do coletor e a tensão de saída é a tensão entre o coletor e o emissor, então podemos escrever que: Iout/Iin=Iк/Ib= β, Rin=Ube/Ib.

Além disso, como Uout = Epit-Iк*R, fica claro que, em primeiro lugar, a tensão de saída pode facilmente ser muito mais alta que a de entrada e, em segundo lugar, que a tensão de saída é invertida em relação à entrada (quando Ube = Uin aumenta e a corrente de entrada aumenta - a corrente de saída também aumenta, mas Uke = Uout diminui).

Este esquema de ligação (por brevidade é designado OE) é o mais comum, pois permite amplificar corrente e tensão, ou seja, permite obter amplificação máxima de potência. Observo que essa potência adicional do sinal amplificado não é retirada do nada e nem do próprio transistor, mas da fonte de alimentação (Epit), sem a qual o transistor não será capaz de amplificar nada e não haverá corrente no circuito de saída. (Eu acho - escreveremos com mais detalhes posteriormente, em um artigo separado, sobre exatamente como funcionam os amplificadores transistorizados e como calculá-los).

2) Esquema com base comum.

Aqui, a corrente de entrada é a corrente do emissor, a tensão de entrada é a tensão na junção BE, a corrente de saída é a corrente do coletor e a tensão de saída é a tensão na carga conectada ao circuito coletor. Para este circuito: Iout≈Iin, porque Ik≈Ie, Rin=Ube/Ie.

Tal circuito (OB) apenas amplifica a tensão e não amplifica a corrente. O sinal, neste caso, não muda de fase.

3) Circuito coletor comum(seguidor de emissor).

Aqui, a corrente de entrada é a corrente de base e a tensão de entrada é conectada à junção do transistor BE e à carga, a corrente de saída é a corrente do emissor e a tensão de saída é a tensão na carga conectada ao circuito emissor. . Para este circuito: Iout/Iin=Ie/Ib=(I K +I B)/I B =β+1, porque Normalmente o coeficiente β é bastante grande, mas às vezes Iout/Iin≈β é considerado. Rin=Ube/Ib+R. Uout/Uin=(Ube+Uout)/Uout≈1.

Como você pode ver, tal circuito (OK) amplifica a corrente e não amplifica a tensão. O sinal, neste caso, não muda de fase. Além disso, este circuito possui a maior resistência de entrada.

As setas laranja nos diagramas acima mostram os circuitos de fluxo de corrente criados pela fonte de alimentação do circuito de saída (Epit) e pelo próprio sinal de entrada (Uin). Como você pode ver, em um circuito com OB, a corrente criada por Epit flui não apenas pelo transistor, mas também pela fonte do sinal amplificado, e em um circuito com OK, ao contrário, a corrente criada por o sinal de entrada flui não apenas através do transistor, mas também através da carga (usando esses sinais, você pode distinguir facilmente um esquema de conexão de outro).

E, finalmente, vamos falar sobre como verificar a capacidade de manutenção de um transistor bipolar. Na maioria dos casos, a integridade do transistor pode ser avaliada pelo estado das junções pn. Se considerarmos essas junções pn independentemente uma da outra, então o transistor pode ser representado como uma combinação de dois diodos (como na figura à esquerda). Em geral, a influência mútua das junções pn é o que torna um transistor um transistor, mas na verificação essa influência mútua pode ser ignorada, pois aplicamos tensão aos terminais do transistor em pares (a dois terminais em cada três). Conseqüentemente, você pode verificar essas junções pn com um multímetro comum no modo de teste de diodo. Ao conectar a ponta de prova vermelha (+) ao cátodo do diodo, e a preta ao ânodo, a junção pn será fechada (o multímetro mostra uma resistência infinitamente alta), se você trocar as pontas de prova, a junção pn irá estar aberto (o multímetro mostra a queda de tensão na junção pn aberta, geralmente 0,6-0,8 V). Ao conectar pontas de prova entre o coletor e o emissor, o multímetro mostrará uma resistência infinitamente alta, independentemente de qual ponta de prova está conectada ao coletor e qual está conectada ao emissor.

Continua…