Der erste Bipolartransistor wurde 1947 in den Bell-Labors erfunden. "Zwei Polaritäten" wird als bipolar abgekürzt, daher der Name Bipolar Junction Transistor. BJT ist ein Gerät mit drei Anschlüssen mit Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E). Die Identifizierung der Anschlüsse eines Transistors erfordert das Pin-Diagramm eines bestimmten BJT-Teils. Es ist im Datenblatt verfügbar. Es gibt zwei Arten von BJT - NPN- und PNP-Transistoren. In diesem Tutorial werden wir über die NPN-Transistoren sprechen. Betrachten wir die beiden in den obigen Abbildungen gezeigten Beispiele für NPN-Transistoren - BC547A und PN2222A.
Abhängig vom Herstellungsprozess ändert sich die Stiftkonfiguration und die Details sind im entsprechenden Datenblatt verfügbar. Wenn die Nennleistung des Transistors zunimmt, muss der erforderliche Kühlkörper am Transistorkörper angebracht werden. Ein unverzerrter Transistor oder ein Transistor ohne an den Anschlüssen angelegtes Potential ähnelt zwei Dioden, die hintereinander geschaltet sind, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Die Diode D1 hat eine rückwärtsleitende Eigenschaft, die auf der Vorwärtsleitung der Diode D2 basiert. Wenn ein Strom durch die Diode D2 fließt, erfasst die Diode D1 den Strom und ein proportionaler Strom kann in umgekehrter Richtung vom Kollektoranschluss zum Emitteranschluss fließen, vorausgesetzt, am Kollektoranschluss wird ein höheres Potential angelegt. Die Proportionalitätskonstante ist die Verstärkung (β).
Arbeitsweise von NPN-Transistoren:
Wie oben diskutiert, ist der Transistor eine stromgesteuerte Vorrichtung, die zwei Verarmungsschichten mit einem spezifischen Sperrpotential aufweist, das erforderlich ist, um die Verarmungsschicht zu diffundieren. Das Barrierepotential für einen Siliziumtransistor beträgt 0,7 V bei 25 ° C und 0,3 V bei 25 ° C für einen Germaniumtransistor. Meistens werden häufig Transistoren vom Siliziumtyp verwendet, da Silizium nach Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde ist.
Interner Betrieb:
Der Aufbau eines npn-Transistors besteht darin, dass die Kollektor- und Emitterbereiche mit Material vom n-Typ dotiert sind und der Basisbereich mit einer kleinen Schicht aus Material vom p-Typ dotiert ist. Der Emitterbereich ist im Vergleich zum Kollektorbereich stark dotiert. Diese drei Regionen bilden zwei Verbindungen. Sie sind Kollektor-Basis-Übergang (CB) und Basis-Emitter-Übergang.
Wenn ein potentieller VBE über den Basis-Emitter-Übergang angelegt wird, der von 0 V ansteigt, beginnen sich die Elektronen und Löcher im Verarmungsbereich anzusammeln. Wenn das Potential über 0,7 V ansteigt, ist die Barrierespannung erreicht und die Diffusion tritt auf. Daher fließen die Elektronen zum positiven Anschluss und der Basisstrom (IB) ist dem Elektronenfluss entgegengesetzt. Außerdem beginnt der Strom vom Kollektor zum Emitter zu fließen, vorausgesetzt, die Spannung VCE wird am Kollektoranschluss angelegt. Der Transistor kann als Schalter und Verstärker fungieren.
Betriebsbereich versus Betriebsart:
1. Aktiver Bereich, IC = β × IB - Verstärkerbetrieb
2. Sättigungsbereich, IC = Sättigungsstrom - Schaltbetrieb (vollständig EIN)
3. Abschaltbereich, IC = 0 - Schaltbetrieb (vollständig AUS)
Transistor als Schalter:
Zur Erklärung mit einem PSPICE wurde das Modell BC547A ausgewählt. Das erste, was Sie beachten sollten, ist die Verwendung eines Strombegrenzungswiderstands an der Basis. Höhere Basisströme beschädigen einen BJT. Aus dem Datenblatt ergibt sich ein maximaler Kollektorstrom von 100 mA und eine entsprechende Verstärkung (hFE oder β).
Schritte zum Auswählen von Komponenten, 1. Ermitteln Sie den Kollektorstrom, dh den von Ihrer Last verbrauchten Strom. In diesem Fall sind es 60 mA (Relaisspule oder parallele LEDs) und Widerstand = 200 Ohm.
2. Um den Transistor in einen Sättigungszustand zu bringen, muss ein ausreichender Basisstrom zugeführt werden, so dass der Transistor vollständig eingeschaltet ist. Berechnung des Basisstroms und des entsprechenden zu verwendenden Widerstands.
Für eine vollständige Sättigung wird der Basisstrom auf 0,6 mA (nicht zu hoch oder zu niedrig) angenähert. Somit ist unten die Schaltung mit 0 V zur Basis, während der der Schalter ausgeschaltet ist.
a) PSPICE-Simulation von BJT als Switch und b) äquivalenter Switch-Zustand
Theoretisch ist der Schalter vollständig geöffnet, es kann jedoch praktisch ein Leckstromfluss beobachtet werden. Dieser Strom ist vernachlässigbar, da sie in pA oder nA vorliegen. Zum besseren Verständnis der Stromregelung kann ein Transistor als variabler Widerstand zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) betrachtet werden, dessen Widerstand je nach Strom durch die Basis (B) variiert.
Wenn anfänglich kein Strom durch die Basis fließt, ist der Widerstand über CE sehr hoch, so dass kein Strom durch sie fließt. Wenn am Basisanschluss ein Potential von 0,7 V und mehr angelegt wird, diffundiert der BE-Übergang und bewirkt, dass der CB-Übergang diffundiert. Nun fließt Strom basierend auf der Verstärkung vom Kollektor zum Emitter.
a) PSPICE-Simulation von BJT als Switch und b) äquivalenter Switch-Zustand
Lassen Sie uns nun sehen, wie der Ausgangsstrom durch Steuern des Basisstroms gesteuert wird. Unter Berücksichtigung von IC = 42 mA und nach der gleichen Formel wie oben erhalten wir IB = 0,35 mA; RB = 14,28 kOhm ≤ 15 kOhm.
a) PSPICE-Simulation von BJT als Switch und b) äquivalenter Switch-Zustand
Die Abweichung des praktischen Wertes vom berechneten Wert ist auf den Spannungsabfall am Transistor und die verwendete ohmsche Last zurückzuführen.
Transistor als Verstärker:
Verstärkung ist die Umwandlung eines schwachen Signals in eine verwendbare Form. Der Prozess der Verstärkung war ein wichtiger Schritt in vielen Anwendungen wie drahtlos gesendeten Signalen, drahtlos empfangenen Signalen, MP3-Playern, Mobiltelefonen usw. Der Transistor kann Leistung, Spannung und Strom in verschiedenen Konfigurationen verstärken.
Einige der in Verstärkerschaltungen verwendeten Konfigurationen sind
- Gemeinsamer Emitterverstärker
- Gemeinsamer Kollektorverstärker
- Gemeinsamer Basisverstärker
Von den oben genannten Typen ist der übliche Emittertyp die beliebte und am häufigsten verwendete Konfiguration. Der Betrieb erfolgt im aktiven Bereich, eine einstufige Common-Emitter-Verstärkerschaltung ist ein Beispiel dafür. Ein stabiler DC-Vorspannungspunkt und eine stabile AC-Verstärkung sind beim Entwurf eines Verstärkers wichtig. Der Name einstufiger Verstärker, wenn nur ein Transistor verwendet wird.
Oben ist eine einstufige Verstärkerschaltung dargestellt, bei der ein am Basisanschluss angelegtes schwaches Signal in das β-fache des tatsächlichen Signals am Kollektoranschluss umgewandelt wird.
Teilzweck:
CIN ist der Koppelkondensator, der das Eingangssignal mit der Basis des Transistors koppelt. Somit trennt dieser Kondensator die Quelle vom Transistor und lässt nur ein Wechselstromsignal durch. CE ist der Bypass-Kondensator, der als niederohmiger Pfad für das verstärkte Signal fungiert. COUT ist der Koppelkondensator, der das Ausgangssignal vom Kollektor des Transistors koppelt. Somit isoliert dieser Kondensator den Ausgang vom Transistor und lässt nur ein Wechselstromsignal durch. R2 und RE sorgen für die Stabilität des Verstärkers, während R1 und R2 zusammen die Stabilität des DC-Vorspannungspunkts gewährleisten, indem sie als Potentialteiler wirken.
Betrieb:
Die Schaltung arbeitet für jedes Zeitintervall sofort. Einfach zu verstehen, wenn die Wechselspannung am Basisanschluss zunimmt, fließt der entsprechende Anstieg des Stroms durch den Emitterwiderstand. Somit erhöht diese Erhöhung des Emitterstroms den höheren Kollektorstrom, der durch den Transistor fließt, wodurch der VCE-Kollektor-Emitterabfall verringert wird. In ähnlicher Weise beginnt die VCE-Spannung zuzunehmen, wenn die Eingangswechselspannung exponentiell abnimmt, aufgrund der Abnahme des Emitterstroms. Alle diese Spannungsänderungen werden sofort am Ausgang reflektiert, wobei die Wellenform des Eingangs invertiert, aber verstärkt wird.
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Eigenschaften |
Gemeinsame Basis |
Gemeinsamer Emitter |
Gemeinsamer Sammler |
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Spannungsverstärkung |
Hoch |
Mittel |
Niedrig |
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Stromverstärkung |
Niedrig |
Mittel |
Hoch |
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Leistungsgewinn |
Niedrig |
Sehr hoch |
Mittel |
Tabelle: Gewinnvergleichstabelle
Basierend auf der obigen Tabelle kann die entsprechende Konfiguration verwendet werden.