Биполярлы транзистор

 

 

1.2. Әр түрлі режимдегі транзисторлар.

 

Биполярлы транзисторлар  р-п-р типті ауысуымен жұмыс  істеу принципіне қарай бірнеше  режимде жұмыс атқарады. Негізгі  режимі ретінде активті режимді  атап өтуге болады. Бұл режимде  эмиттерлі өтпе ашық күйде,ал коллекторлы  өтпе жабық болады.Мұндай режимде  жұмыс атқаратын транзисторлар күшейткіш схемаларда қолданылады. Келесі режимі инверсивті режим. Бұл режимде керісінше коллекторлы өтпе ашық болады да, эмиттерлі өтпе жабық болады. Қанығу режимі-бұл режимде қос өтпе де ашық болады. Биполярлы транзисторлардың тағы бір түрі симметриялы транзисторлар. Симметриялы биполяр транзисторлардың да үш түрлі жалғану сұлбасы бар: 1.2.3-суретте осы симметриялы биполярлы транзисторлардың схемалық жалғасу сұлбалары көрсетілген.

 

Екэ

 

1.2.1-сурет ортақ эмиттерлі, ортақ базалы, ортақ коллекторлы.

 

Биполярлы транзисторлардың кез - келген режимде жұмыс атқарғандағы, транзисторларда өтетін процесстерге мән берейік. Бұл процесстерге сипаттама беру үшін ең қарапайым жазық, бір текті биполяр транзистордың моделін қолдануға болады.

Бұл модель бойынша  транзистордағы р-п өтпе жазық болып келеді және мұндағы тасымалдаушы зарядтардың кординатасы х кординатына ғана тәуелді. Мұндай модельді қолдану биполярлы транзисторлардың шынайы моделін қолданудан гөрі тиімдірек. Себебі шынайы модельде базаның көлденең қимасының ауданы өтпенің қимасының ауданынан көп ретте кіші болып келгендіктен, мұндағы процесстерді анықтау қиынға соғады. Схемада көрсетілген біртекті модель ортақ базалы жалғанып тұр.

Сыртқы ток көздерінен транзисторға U_эб және U_кб тұрақты кернеуден ток беріледі.

Мұндағы: Uэб<0

Uкб>0

кернеулер эмиттерлі өтпенің  ашық және коллекторлық өтпенің жабық болуын қамтамасыз етеді. Яғни бұл біртекті биполярлы транзистордың жұмысы активті режимге сәйкес келеді. Ашық эмиттерлі өтпеден негізгі

заряд тасымалдаушылар ағыны тасымалданады. Бұл тасымалдану процесі эмиттерлі өтпедегі кернеуге байланысты болады. Диффузия құбылысының нәтежесінде бұл ағын база арқылы коллекторлы өтпеге беріледі.Яғни кемтіктер мен электрондар ағыны рекомбинациялық әсерге түседі.Осы коллекторға жеткен электрондардың ағыны, коллекторлы өтпенің кернеуінен байланысты емес, себебі бұл өтпеде электрондар үшін потенциялдық барьер жоқ. Сонымен біртекті биполяр транзистордың активті режиміндегі эмиттерден коллекторға дейінгі жолын электрондардың өтпелі тогы реттейді. і_э және і_к. Осы режимдегі электрондар ағыны мен коллектордың тогы кіріс кернеуін басқарады, және сыртқы кернеуге тәуелсіз деуге болады. Міне егер транзистор осындай режимде жұмыс атқарса, онда мұндай транзисторларды сигналдарды күшейту үшін қолдануға болады. Транзистордан тұратын қарапайым күшейткіш каскадтың сұлбасы 1.2.4- суретте көрсетілген.

 

1.2.2-сурет.Қарапайым күшейткіш каскадтың сұлбасы

 

1.3. Биполяр транзисторлы  күшейткіштер.

 

Әртүрлі технологиялық қондырғыларға  өнеркәсіптік электрониканың элементтік құраушы бөлігі болып табылатын күшейткіштер кеңінен қолданылады. Күшейткіштер деп кірісіне әлсіз электрлік сигнал беру арқылы шығысына оның өзгеру заңдылығын қайталайтын және одан әлдеқайда қуатты сигнал алуға болатын құрылғыларды айтады. Күшейткіш параметріне қарай күшейткіштер кернеулік, токтық және қуаттық болып бөлінеді.

Өте әлсіз сигналдарды  күшейту үшін бірнеше күшейткіштік сатыдан тұратын күшейткіштер қолданылады. Бір сатылы күшейткіш күшейткіштік каскад деп аталады. Қазіргі кернеулік күшейткіштер кернеуі 10000000В әлсіз сигналдарды күшейтуге мүмкіндік береді. Күшейткіштердің негізгі параметрлеріне токты, кернеуді және қуатты күшейту коэффицентері мен кіріс және шығыс кедергілері ал негізгі сипаттамаларына күшейту коэффицеииерінің амплитудадан және жиіліктен тәуелділіктері жатады.  Транзисторың үш түрлі жалғану сұлбасы сәйкесті биполяр транзисторлы күшейткіштердің де үш түрлі сұлбасы болады. Олар параметрлерінің көрсеткіштеріне қарай қолданылады.

 

 

 

1.3.1-сурет.Эмиттері ортақ күшейткіш каскадтың қарапайым сұлбасы көрсетілген.

 

Мұндағы С1 конденсатор көрек көзінен сигнал көзіне тұрақты токты өткізбейді және транзистордың кірісінің сигналмен қысқа тұйықтауды сақтайды. Жүктеменің бір ұшы С2 конденсаторы арқылы коллектормен жалғанады да,ал екінші ұшы кіріс және шығыс тізбектердің ортақ нүктесімен қосылады. С2 конденсаторы жүктеме тізбегіне коллектор тогының айнымалы құраушысын ғана өткізу үшін ғана керек.

Кіріс сигнал жоқ кезде коллектор тізбегімен коллектор тогы жүреді. Бұл токтың шамасы көрек көзінің ЭҚК-не,кедергісіне және базаның тогына байланысты анықталады. Қорек көзі резистор және коллектор - эмиттер бойында Кирхгофтың екінші заңы бойынша анықталады. Кіріс сигнал жоқ кездегі күшейткіш каскадтың жұмыс режимі тыныш режимі деп аталады. Каскадтың тыныш режимінде электрлік күйінің теңдеуі және нүктелері арқылы өтетін түзудің теңдеуі болып табылады. Бұл түзуді тұрақты ток бойынша жүргізілген жүктемелік түзу деп атайды.

Транзистордың шығыс сипаттамасы мен жүктемелік түзуді бір координаттар жүйесіне тұрғызып, базалық токтың әртүрлі мәндерін табуға болады.

Транистордың тыныш режиміндегі  базалық токты, яғни шығыс сипаттамалар жиынтығының және сипаттаманың қанығу үрдісіне сәйкесті бөлігінің ортасында жататындай етіп таңдап алады. Бұл нүктені тыныштық нүктесі деп атайды.

 

1.4. Биполяр транзисторлы  күшейткіштердің атқаратын қызметі.

 

Егер күшейткіш каскадтың кіріс синусойдал кернеу берсе, онда база мен эмиттердің арасындағы кернеу берілген синусойдал кернеу мен тыныш әлпіндегі базаның құраушысы мен тыныш режиміндегі тогының алгебралық қосындысына тең болады. Базаның тогы синусойдал заңдылықпен өзгеріп, коллектордың тогының да синусойдал өзгерісін туғызады. Ал коллектордың тогының синусойдал өзгеруі салдарынан коллектордың кернеуі де синусойдалы өзгеріп оырады. Коллектордың кернеуінің,яғни шығыс кернеудің графигін тұрғызу керек. Бұл тәуелділік ауыспалық сипаттама деп аталады. LS ауыспалық сипаттама мен шығыс сипаттамадағы жүктеме сызығын пайдалана отырып коллектордың кернеуінің графигі алынады. Коллектордың өскен сайын резисторында кернеудің түсуі артады да, коллектордың кернеуі кемиді және керісінше. Сондықтан кіріс  кернеудің оң мәнінде коллектордың кернеуі теріс мән қабылдайды, яғни кіріс кернеу мен шығыс кернеудің фазалары қарама-қарсы болады. Мұндай каскадты фаза төңкергіш каскад деп атайды. Графиктен көрініп тұрғандай, коллектордың кернеуі синусойдал болады. Ал сандық шамасы жағынан синусойдал құраушысына тыныш режиміндегі кернеуі қосылатындықтан кіріс кернеуге қарағанда әлдеқайда үлкен болады. Сонымен, күшейткіш каскадтың кірісіне кішкене кернеу беріп,оның шығысында қорек көзі тудыратын және берілген кернеудің заңдылығымен өзгеріп отыратын одан әлде қайда үлкен кернеу алуға болады. Жоғарыда жартылай өткізгішті аспаптардың параметрлерінің температураға өте сезімталдығы айтылған болатын. Егер температура жоғарыласа базаның тогы өседі де, ал базаның тогының өсуі коллектордың тогының өсуін тудырады. Сондықтан,тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен жоғары көтеріледі де шығыс кернеудің теріс мәнді жарты толқынының пішіні бұзылады,яғни шығыс кернеудің пішіні күшеткішке берілген кернеудің пішінін қайталамайды.

Егер температура төмендесе, онда база мен коллетордың тогы азаяды да тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен төмен қарай ығысады. Бұл шығыс кернеудің оң мәнді жарты толқынының пішіні бұзылады. Ендеше температура өзгергенімен тыныштық нүктесі өз орныны сақтайтындай, яғни күшейткіш каскадтың тыныш келпін тұрақтандыратын шаралар қарастыру керек. Ол үшін транзисторға бірізді етіп эмиттер кедергісі жалғанады. Егер коллектордың тогы көбейсе, онда эмиттер резисторында кернеудің түсуі де көбиеді. Бұл эмиттердің потенциялы ортақ нүктенің потенциялына қарағанда жоғары деген сөз. Ал осы ортақ нүктеге қарағанда базаның потенциялы

eкінші резисторындағы кернеудің түсуімен анықталады.

Базаның кернеуінің азаюы оның тогын азайтады, ал базаның тогы азайса,онда коллектордың тогының азаятындығы да белгілі. Ендеше тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен өзінің бұрынғы орнына ығысады. Базаның потенциялына эмиттердің тогының синусойдал құраушысының әсерін болдырмау үшін эмиттер резисторына параллель Сэ конденсаторымен жалғайды. Эмиттері ортақ күшейткіш каскадтың кернеуі және қуаты күшейту коэффицеттерін төменгі өрнектерден жуықтап табуға болады. Жоғарыда эмиттер тізбегінің кернеуі арқылы, яғни шықпалық кернеудің өзгеруі арқылы базаның кернеуіне әсер етіп, яғни кіріс кернеулігі әсер етіп, тыныштық нүктесі тұрақтандырылды. Бұлайша сигнал беру кері байланыс деп аталады. Кері байланыс тізбегі арқылы кірмеге берілген сигнал кірмелік сигналмен не қосылып оны күшейтеді де, не одан шегеріліп оны әлсіретеді. Егер кері байланыс кірмелік сигналды азайтатын болса, онда ол теріс кері байланыс деп аталады. Қарастырылып отырылған сұлбада кері байланыс теріс кері байланыс болып табылады, өйткені ол базаның кернеуін азайтқан болатын.

 

ІІ. Есептеу бөлімі.

 

2.1. Биполяр транзисторлардың  тогының шамасын есептеу .

 

 

2.1.6-сурет. Биполяр транзистордың қосылу схемасындағы ток күші мен онда орындалатын операциялрдың матматикалық есептеулерін төмендегідей жолмен көрсетуге болады.

Идеал биполяр транзистордың  моделінің  құрылысы екі бөлімнен тұртыны көрініп тұр. Бірнші бөлім – кеңістіктік зарядтар аумағы, екінші бөлім-квазинейтралды зарядтар облысы. Мұнда төмендегі бірнеше шарт орындалады:

1. Кеістіктік зарядтар аймағындағы зарядтардың қозғалысы нөлге тең болады, яғни бұл жерде зарядтардың қозғалысы жоқ деген сөз.
2. Эмиттер, база және коллектордың көлемдік кедергілері нөлге жуық болады.
3. Кернеу эмиттерлі және коллекторлы өтпеге тікелей жалғанады.
4. Кеңістітік зарядтар аймағында өтпелі процесс орын алады: бұл процесс заряд тасушылар,кернеу және кедергілерді байланыстырады.

 

 

2.1.7-суретте көрсетілген транзистордың жалғану сұлбасындағы биполяр транзисторды жеке қарастырайық.

 

Биполяр транзистордың сыртқы тізбегінде мынандай токтар таралады:

• іэ- эмиттер шықпасының ток күші
• ік- коллектор шықпасының ток күші.
• іб-база шықпасының ток күші.

Ал сыртқы кедергілердің  мәнін  база арқылы есептеу керек:

 

2.2. Әр түрлі өтпелердегі биполяр транзисторлардың құрылымдық

схемалары мен  статикалық сипаттамаларының графиктерін  тұрғызу.

 

Биполяр транзистордың шығыс  және кіріс кернеулерге сәйкес келетін  шамасының вольт-амперлік сипаттамасы  көрсетілген. Мұндағы шығыс кернеудің шамасы - 80 В-қа тең болса, кіріс кернеудің шамасы 0-ге тең болып тұр. Ал ток күшінің шамасы графикте көрсетілгендей 0-10 А-ге дейін өзгереді.

 

 

 

2.2.8-сурет. Кіріс және шығыс кернеудің мәндеріне сәйкес келетін вольт-амперлік сипаттама.

 

 

2.2.9-суретте биполяр транзистордың бір диодының құрылымына сипаттама беріліп тұр.

 

Жоғарыда теориялық, яғни негізгі бөлімде көрсетілген  мәліметтерге статикалық сипаттама  ретінде немесе транзистордың жұмыс  істеу режимін 

схемалық түрде осылай көрсетеміз.

Биполяр транзисторлар бір  диодын негізгі етіп, әр түрлі принципте 

жұмыс атқаратыны айтылып  кетті, енді осы айтылғандарды принциптік схема түрінде көрсетейік. Бұл, яғни биполяр транзистордың ортақ базалы, ортақ эмиттерлі, ортақ коллекторлы жалғастырылуларының әр түрлі жағдайлары берілген. Осы схеманы пайдланып, әр түрлі жартылай өткізгішті приборлар үшін биполяр транзисторлардың қолданылуын түсіу қиын емес.

 

 

2.2.10-сурет. Биполяр транзистордың жұмыс істеу режимінің схемалық түрі.

 

 

 

2.2.11-сурет. Транзистордың екі валентті схемасы

 

Биполярлық транзистор немесе транзистор деп электр тербелістерін күшейту мен генерация жасауға арналған және үш облыстан тұратын кремний пластинасы болып табылатын екі р-n ауысуы бар шала өткізгішті аспапты айтады. Екі шеткі облыстың әрқашан бірдей текті өткізгіштігі бар, ал ортадағы облыс қарама-қарсы түрдегі өткізгіштікте болады. Шеткі облыстарының электрондық өткізгіштігі, ал ортанғысы-ның кемтіктік өткізгіштігі бар транзисторлар n-p-n үлгілік транзисторлар деп аталады ал, ортаңғысының электрондық өткізгіштігі барлар p-n-p- үлгілік транзисторлар деп аталады.

Екі үлгілік транзисторларға  жүріп жататын физикалық процесстер өте ұқсас, олардың арасындағы айырмашылықтар мынада: олардың қоректендіру көздеріне қосылу полярлығы қарама-қарсы және де n-p-n үлгілік транзисторда –кемтіктер түзеді. p-n ауысулар бір-бірінен бөлінген шектес облыстар, эмиттер Э, база Б және коллектор К деп аталады.

Эмиттер заряд тасушыларды  n-p-n үлгілік транзисторларда кемтіктерді шығаратын облыс болып табылады, коллектор-заряд тасушыларды жинап алатын облыс: база –ортанғы облыс,негіз.

Транзистордың жұмыс істеуі кезінде сол жақтағы p-n ауысуының тура бағыттағы эмиттер – база кернеуі беріледі, оң жақтағы p-n ауысуына кері база-коллекор кернеуі беріледі.

Егер эмиттер- база тізбегі ажыратылып тұрса және ондағы ток , ал коллектор мен база арасына кернеуі түсірілсе, онда коллектор тізбегінде, негізгі емес заряд тасушылардан қалыптасқан кішкентай кері ток жүріп жатады. Бұл ток белгілі дәрежеде температураға тәуелді болып, транзистордың параметрлерінің бірі болып табылады. Бұл ток қанша кіші болған сайын транзистордың қасиеттері жақсара түседі.

 

2.2.12-сурет.

n-каналы                   p-каналы              n-каналы        p-каналы

 

Транзистор электр тербелістерін күшейткіш ретінде жұмыс істеген кезде айнымалы кірістік кернеуді эмиттер мен база арасындағы тұрақты ығысу кернеуінің U көзімен тізбектеп қосып береді,ал шығыс кернеуі U жүктеме резисторынан R алынады. Ортақ эмиттер ОЭ схемасында кірістік кернеу көзі эмиттер – база тізбегіне қосылған, ал жүктеме P мен қоректендіру көзі эмиттер коллектор тізбегіне, сондықтан эмиттер кірістік және шығыстық тізбектеріне ортақ электрод болып табылады. ОЭ схемасының кірістік кедергісі ОБ схемасына қарағанда үлкен, себебі мұнда база тоғы кірістік ток болып саналады,ол эмиттер тоғы мен коллектор тоғынан әлдеқайда кіші болады. Бұл кедергі жүздеген Ом-ға жетеді.ОЭ схемасының шығыстық кедергісі үлкен және жүздеген килломға жету мүмкін. Бұл схемадағы ток бойынша күшейту коэффициенті коллектор кернеуі тұрақты болған кезде коллектор тоғы өсімшесінің база тоғы өсімшесіне қатынасы ретінде анықталады.