Circuitos de comutação de transistor bipolar

Um transistor é um dispositivo semicondutor que pode amplificar, converter e gerar sinais elétricos. O primeiro transistor bipolar operacional foi inventado em 1947. O material para sua fabricação era germânio. E já em 1956, um transistor de silício nasceu.

Um transistor bipolar usa dois tipos de portadores de carga - elétrons e orifícios, razão pela qual esses transistores são chamados bipolares. Além dos bipolares, existem transistores unipolares (de campo) nos quais apenas um tipo de transportador é usado - elétrons ou orifícios. Este artigo abordará transistores bipolares.

Muito tempo transistores eles eram principalmente germânio e tinham uma estrutura p-n-p, explicada pelas capacidades das tecnologias da época. Mas os parâmetros dos transistores de germânio eram instáveis, sua maior desvantagem é a baixa temperatura de operação - não superior a 60 a 70 graus Celsius. Em temperaturas mais altas, os transistores se tornaram incontroláveis ​​e depois falharam completamente.

Com o tempo, os transistores de silício começaram a substituir os equivalentes de germânio. Atualmente, eles são principalmente silício e são usados, e isso não é surpreendente. Afinal, transistores e diodos de silício (quase todos os tipos) permanecem operacionais até 150 ... 170 graus. Os transistores de silício também são o "enchimento" de todos os circuitos integrados.

Os transistores são legitimamente considerados uma das grandes descobertas da humanidade. Tendo substituído as lâmpadas eletrônicas, elas não apenas as substituíram, mas fizeram uma revolução na eletrônica, surpreendendo e chocando o mundo. Se não houvesse transistores, muitos dispositivos e aparelhos modernos, tão familiares e próximos, simplesmente não teriam nascido: imagine, por exemplo, um telefone celular com lâmpadas eletrônicas! Para obter mais informações sobre a história dos transistores, consulte aqui.

A maioria dos transistores de silício possui uma estrutura n-p-n, o que também é explicado pela tecnologia de produção, embora existam transistores de silício do tipo p-n-p, mas eles são um pouco menores que as estruturas n-p-n. Esses transistores são usados ​​como parte de pares complementares (transistores de condutividade diferente com os mesmos parâmetros elétricos). Por exemplo, KT315 e KT361, KT815 e KT814 e nos estágios de saída do transistor UMZCH KT819 e KT818. Nos amplificadores importados, um poderoso par complementar de 2SA1943 e 2SC5200 é frequentemente usado.

Freqüentemente, os transistores de uma estrutura p-n-p são chamados de transistores de condutividade direta e as estruturas n-p-n são transistores reversos. Por alguma razão, esse nome quase nunca é encontrado na literatura, mas no círculo de engenheiros e entusiastas de rádio é usado em todos os lugares, todos imediatamente entendem o que está em jogo. A Figura 1 mostra uma estrutura esquemática dos transistores e seus símbolos gráficos.

Figura 1

Além das diferenças no tipo e material da condutividade, os transistores bipolares são classificados por potência e frequência de operação. Se a potência de dissipação no transistor não exceder 0,3 W, esse transistor será considerado de baixa potência. Com uma potência de 0,3 ... 3 W, o transistor é chamado de transistor de potência média e, com uma potência superior a 3 W, a potência é considerada grande. Os transistores modernos são capazes de dissipar a energia de várias dezenas ou mesmo centenas de watts.

Os transistores amplificam os sinais elétricos não muito bem: com o aumento da frequência, o ganho do estágio do transistor diminui e, a uma certa frequência, ele pára completamente. Portanto, para operar em uma ampla gama de frequências, os transistores estão disponíveis com diferentes propriedades de frequência.

De acordo com a frequência de operação, os transistores são divididos em de baixa frequência, - a frequência de operação não é superior a 3 MHz, a frequência média - 3 ... 30 MHz, alta frequência - superior a 30 MHz.Se a frequência de operação exceder 300 MHz, esses são transistores de microondas.

Em geral, em livros de referência espessos sérios, existem mais de 100 parâmetros diferentes de transistores, o que também indica um grande número de modelos. E o número de transistores modernos é tal que, na íntegra, eles não podem mais ser colocados em nenhum diretório. E a programação está em constante crescimento, o que nos permite resolver quase todas as tarefas definidas pelos desenvolvedores.

Existem muitos circuitos de transistor (lembre-se do número de pelo menos equipamentos domésticos) para amplificar e converter sinais elétricos, mas, com toda a diversidade, esses circuitos consistem em estágios separados, cuja base são transistores. Para obter a amplificação de sinal necessária, é necessário usar vários estágios de amplificação, conectados em série. Para entender como os estágios do amplificador funcionam, você precisa se familiarizar com os circuitos de comutação de transistor.

O transistor sozinho não pode amplificar nada. Suas propriedades de amplificação são que pequenas mudanças no sinal de entrada (corrente ou tensão) levam a mudanças significativas na tensão ou corrente na saída da cascata devido ao gasto de energia de uma fonte externa. É essa propriedade que é amplamente utilizada em circuitos analógicos - amplificadores, televisão, rádio, comunicação etc.

Para simplificar a apresentação, consideraremos os circuitos nos transistores da estrutura n-p-n aqui. Tudo o que será dito sobre esses transistores se aplica igualmente aos transistores p-n-p. Apenas mude a polaridade das fontes de energia, capacitores eletrolíticos e diodosse houver, para obter um circuito de trabalho.

Circuitos de comutação de transistor

Existem três desses esquemas no total: um circuito com um emissor comum (OE), um circuito com um coletor comum (OK) e um circuito com uma base comum (OB). Todos esses esquemas são mostrados na Figura 2.

Figura 2

Porém, antes de considerar esses circuitos, você deve se familiarizar com o funcionamento do transistor no modo de chave. Este conhecido deve facilitar a compreensão. operação de transistor no modo de ganho. Em certo sentido, um esquema-chave pode ser considerado como um tipo de esquema com o MA.

Operação do transistor no modo de chave

Antes de estudar a operação de um transistor no modo de amplificação de sinal, vale lembrar que os transistores são frequentemente usados ​​no modo de chave.

Este modo de operação do transistor é considerado há muito tempo. Na edição de agosto de 1959 da revista Radio, foi publicado um artigo de G. Lavrov "Triodo semicondutor no modo chave". O autor do artigo sugeriu ajuste a velocidade do motor coletor mudança na duração dos pulsos no enrolamento de controle (OS). Agora, esse método de regulação é chamado de PWM e é usado com bastante frequência. O diagrama do diário da época é mostrado na Figura 3.

Figura 3

Mas o modo de chave é usado não apenas nos sistemas PWM. Muitas vezes, um transistor apenas liga e desliga algo.

Nesse caso, o relé pode ser usado como carga: eles emitiram um sinal de entrada - o relé ligado, não - o sinal do relé foi desligado. Em vez de relés no modo de chave, as lâmpadas são frequentemente usadas. Geralmente, isso é feito para indicar: a luz está acesa ou apagada. Um diagrama desse estágio principal é mostrado na Figura 4. Os estágios principais também são usados ​​para trabalhar com LEDs ou optoacopladores.

Figura 4

Na figura, a cascata é controlada por um contato normal, embora possa haver um chip digital ou microcontrolador. Lâmpada de automóvel, esta é usada para iluminar o painel no "Lada". Deve-se notar que 5V é usado para controle e a tensão do coletor comutado é 12V.

Não há nada de estranho nisso, uma vez que as tensões não desempenham nenhum papel nesse circuito, apenas as correntes são importantes.Portanto, a lâmpada pode ter pelo menos 220V se o transistor for projetado para operar com essas tensões. A tensão da fonte do coletor também deve corresponder à tensão operacional da carga. Com a ajuda de tais cascatas, a carga é conectada a microcircuitos digitais ou microcontroladores.

Nesse esquema, a corrente base controla a corrente do coletor, que, devido à energia da fonte de alimentação, é várias dezenas ou até centenas de vezes (dependendo da carga do coletor) do que a corrente base. É fácil ver que a amplificação atual ocorre. Quando o transistor está operando no modo de chave, o valor usado no cálculo da cascata é geralmente referido como "ganho de corrente no modo de sinal grande" nos livros de referência, indicado pela letra β nos livros de referência. Esta é a razão da corrente do coletor, determinada pela carga, para a corrente base mínima possível. Na forma de uma fórmula matemática, fica assim: β = Iк / Iб.

Para a maioria dos transistores modernos, o coeficiente β é muito grande, como regra, entre 50 e superior; portanto, ao calcular o estágio principal, pode ser tomado como apenas 10. Mesmo que a corrente de base pareça ser maior que a corrente calculada, o transistor não abrirá mais com isso, também é um modo de chave.

Para acender a lâmpada mostrada na Figura 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, isso é pelo menos. Com uma tensão de controle de 5 V no resistor de base RB, menos a queda de tensão na seção BE, 5 V - 0,6 V = 4,4 V permanecerão. A resistência do resistor de base é: 4.4V / 10mA = 440 Ohm. Um resistor com uma resistência de 430 ohms é selecionado da série padrão. Uma tensão de 0,6 V é a tensão na junção B - E, e não deve ser esquecida no cálculo!

Para impedir que a base do transistor “fique suspensa no ar” ao abrir o contato de controle, a transição B - E geralmente é desviada pelo resistor Rbe, que fecha o transistor com segurança. Esse resistor não deve ser esquecido, embora, por algum motivo, não seja por algum motivo, o que pode levar a uma operação falsa da cascata por interferência. Na verdade, todo mundo sabia sobre esse resistor, mas por algum motivo eles esqueceram, e mais uma vez pisaram no "ancinho".

O valor desse resistor deve ser tal que, quando o contato se abre, a tensão na base não seria menor que 0,6V; caso contrário, a cascata será incontrolável, como se a seção B - E estivesse em curto-circuito. Na prática, o resistor RBe é ajustado em um valor cerca de dez vezes maior que o RB. Mas, mesmo que o valor de Rb seja 10K, o circuito funcionará de maneira confiável: os potenciais de base e emissor serão iguais, o que levará ao fechamento do transistor.

Essa cascata de chave, se estiver funcionando, pode acender a lâmpada em temperatura máxima ou desligá-la completamente. Nesse caso, o transistor pode ser totalmente aberto (estado de saturação) ou completamente fechado (estado de corte). Imediatamente, é claro, a conclusão sugere que entre esses estados "de fronteira" existe uma coisa quando a lâmpada brilha completamente. Nesse caso, o transistor está meio aberto ou meio fechado? É como no problema de encher o copo: o otimista vê o copo meio cheio, enquanto o pessimista o considera meio vazio. Este modo de operação do transistor é chamado de amplificação ou linear.

Operação de transistor no modo de amplificação de sinal

Quase todo equipamento eletrônico moderno consiste em microcircuitos nos quais os transistores estão "ocultos". Basta selecionar o modo de operação do amplificador operacional para obter o ganho ou a largura de banda desejada. Mas, apesar disso, as cascatas são frequentemente usadas em transistores discretos ("frouxos") e, portanto, é simplesmente necessário um entendimento da operação do estágio do amplificador.

A inclusão mais comum de um transistor em comparação com OK e OB é um circuito de emissor comum (OE). A razão para essa prevalência é, antes de tudo, um alto ganho em tensão e corrente.O maior ganho da cascata de OE é alcançado quando metade da tensão da fonte de alimentação Epit / 2 cai na carga do coletor. Consequentemente, a segunda metade cai na seção K-E do transistor. Isso é conseguido configurando a cascata, que será descrita abaixo. Este modo de ganho é chamado de classe A.

Quando você liga o transistor com o OE, o sinal de saída no coletor fica antifase com a entrada. Como desvantagens, pode-se notar que a impedância de entrada do OE é pequena (não mais do que algumas centenas de Ohms) e a impedância de saída está na faixa de dezenas de KOhms.

Se no modo de chave o transistor é caracterizado por um ganho de corrente no modo de sinal grande  β, então, no modo de ganho, o "ganho de corrente no modo de sinal pequeno" é usado, indicado nos livros de referência do h21e. Essa designação veio da representação de um transistor na forma de um dispositivo de quatro terminais. A letra "e" indica que as medições foram feitas quando o transistor com um emissor comum foi ligado.

O coeficiente h21e, via de regra, é um pouco maior que β, embora em cálculos, como primeira aproximação, você possa usá-lo. De qualquer forma, a dispersão dos parâmetros β e h21e é tão grande, mesmo para um tipo de transistor, que os cálculos são apenas aproximados. Após esses cálculos, como regra, é necessária a configuração do circuito.

O ganho do transistor depende da espessura da base, portanto você não pode alterá-lo. Daí a grande dispersão do ganho de transistores extraídos de uma única caixa (leia um lote). Para transistores de baixa potência, esse coeficiente varia entre 100 ... 1000 e para poderosos 5 ... 200. Quanto mais fina a base, maior a proporção.

O circuito de ativação mais simples para um transistor OE é mostrado na Figura 5. Este é apenas um pequeno pedaço da Figura 2, mostrado na segunda parte do artigo. Este circuito é chamado de circuito de corrente de base fixa.

Figura 5

O esquema é extremamente simples. O sinal de entrada é fornecido à base do transistor através de um capacitor de isolamento C1 e, sendo amplificado, é removido do coletor do transistor através de um capacitor C2. O objetivo dos capacitores é proteger os circuitos de entrada do componente constante do sinal de entrada (lembre-se do microfone de carbono ou eletreto) e fornecer a largura de banda necessária da cascata.

O resistor R2 é a carga do coletor da cascata e o R1 fornece um viés constante para a base. Usando esse resistor, eles tentam fazer a tensão do coletor Epit / 2. Essa condição é chamada de ponto operacional do transistor; nesse caso, o ganho da cascata é máximo.

Aproximadamente a resistência do resistor R1 pode ser determinada pela fórmula simples R1 ≈ R2 * h21e / 1.5 ... 1.8. O coeficiente 1,5 ... 1,8 é substituído dependendo da tensão de alimentação: em baixa tensão (não mais que 9V), o valor do coeficiente não é maior que 1,5 e, partindo de 50V, se aproxima de 1,8 ... 2,0. Mas, de fato, a fórmula é tão aproximada que o resistor R1 costuma ser selecionado, caso contrário, o valor requerido de Epit / 2 no coletor não será obtido.

O resistor coletor R2 é definido como uma condição do problema, pois a corrente do coletor e a amplificação da cascata como um todo dependem de sua magnitude: quanto maior a resistência do resistor R2, maior o ganho. Mas você precisa ter cuidado com esse resistor, a corrente do coletor deve ser menor que o máximo permitido para esse tipo de transistor.

O esquema é muito simples, mas essa simplicidade fornece propriedades negativas, e você deve pagar por essa simplicidade. Em primeiro lugar, a amplificação da cascata depende da instância específica do transistor: ele substituiu o transistor durante o reparo; - selecione o deslocamento novamente, a saída para o ponto de operação.

Em segundo lugar, a partir da temperatura ambiente, - com o aumento da temperatura, a corrente reversa do coletor Ico aumenta, o que leva a um aumento na corrente do coletor. E onde, então, há metade da tensão de alimentação no coletor Epit / 2, o mesmo ponto de operação? Como resultado, o transistor esquenta ainda mais, após o que falha.Para se livrar dessa dependência, ou pelo menos minimizá-la, elementos adicionais de feedback negativo - OOS - são introduzidos na cascata do transistor.

A Figura 6 mostra um circuito com uma tensão de polarização fixa.

Figura 6

Parece que o divisor de tensão Rb-k, Rb-e fornecerá o deslocamento inicial necessário da cascata, mas, de fato, essa cascata tem todas as desvantagens de um circuito de corrente fixa. Assim, o circuito mostrado é apenas uma variação do circuito de corrente fixa mostrado na Figura 5.

Esquemas com estabilização térmica

A situação é um pouco melhor no caso de aplicar os esquemas mostrados na Figura 7.

Figura 7

No circuito de estabilização do coletor, o resistor de polarização R1 é conectado não à fonte de energia, mas ao coletor do transistor. Nesse caso, se a temperatura aumenta, a corrente reversa aumenta, o transistor se abre mais forte, a tensão do coletor diminui. Essa diminuição leva a uma diminuição na tensão de polarização fornecida à base através de R1. O transistor começa a fechar, a corrente do coletor diminui para um valor aceitável e a posição do ponto de operação é restaurada.

É óbvio que essa medida de estabilização leva a uma certa diminuição na amplificação da cascata, mas isso não importa. O ganho ausente geralmente é adicionado aumentando o número de estágios de amplificação. Mas esse sistema de proteção ambiental pode expandir significativamente a faixa de temperaturas operacionais da cascata.

O circuito da cascata com estabilização de emissor é um pouco mais complicado. As propriedades de amplificação de tais cascatas permanecem inalteradas em uma faixa de temperatura ainda maior do que no circuito estabilizado por coletor. E mais uma vantagem indiscutível - ao substituir um transistor, você não precisa selecionar novamente os modos de operação da cascata.

O resistor emissor R4, proporcionando estabilização de temperatura, também reduz o ganho da cascata. Isto é para corrente contínua. A fim de excluir a influência do resistor R4 na amplificação da corrente alternada, o resistor R4 é conectado pelo capacitor Ce, que é uma resistência insignificante para a corrente alternada. Seu valor é determinado pela faixa de frequência do amplificador. Se essas frequências estiverem na faixa de som, a capacitância do capacitor poderá variar de unidades a dezenas ou até centenas de microfarads. Para frequências de rádio, isso já é centésimo ou milésimo, mas em alguns casos o circuito funciona bem mesmo sem esse capacitor.

Para entender melhor como a estabilização de emissor funciona, é necessário considerar o circuito para ligar um transistor com um coletor OK comum.

O circuito do coletor comum (OK) é mostrado na Figura 8. Este circuito é uma fatia da Figura 2, da segunda parte do artigo, onde os três circuitos de comutação de transistor são mostrados.

Figura 8

A cascata é carregada pelo resistor emissor R2, o sinal de entrada é fornecido através do capacitor C1 e o sinal de saída é removido através do capacitor C2. Aqui você pode perguntar, por que esse esquema é chamado de OK? De fato, se recordarmos o circuito OE, é claramente visível lá que o emissor está conectado a um fio de circuito comum, em relação ao qual o sinal de entrada é fornecido e o sinal de saída é recebido.

No circuito OK, o coletor é simplesmente conectado a uma fonte de energia e, à primeira vista, parece que não tem nada a ver com o sinal de entrada e saída. Mas, de fato, a fonte EMF (bateria de energia) possui uma resistência interna muito pequena, para um sinal de quase um ponto, um e o mesmo contato.

Mais detalhadamente, a operação do circuito OK pode ser vista na Figura 9.

Figura 9

Sabe-se que, para transistores de silício, a tensão da transição bi-e está na faixa de 0,5 ... 0,7 V, para que você possa tomá-lo em média 0,6 V, se não definir a meta de realizar cálculos com precisão de décimos de um por cento. Portanto, como pode ser visto na Figura 9, a tensão de saída sempre será menor que a tensão de entrada pelo valor de Ub-e, ou seja, os mesmos 0,6V.Ao contrário do circuito OE, este circuito não inverte o sinal de entrada, simplesmente o repete e até o reduz em 0,6V. Esse circuito também é chamado de seguidor de emissor. Por que esse esquema é necessário, para que serve?

O circuito OK amplifica o sinal de corrente h21e vezes, o que indica que a resistência de entrada do circuito é h21e vezes maior que a resistência no circuito emissor. Em outras palavras, sem medo de queimar o transistor, você pode aplicar tensão diretamente na base (sem um resistor limitador). Basta pegar o pino de base e conectá-lo ao barramento de força + U.

Uma alta impedância de entrada permite conectar uma fonte de entrada de alta impedância (impedância complexa), como um captador piezoelétrico. Se um captador desse tipo estiver conectado à cascata de acordo com o esquema OE, a baixa impedância de entrada dessa cascata simplesmente "aterra" o sinal de captação - "o rádio não toca".

Uma característica distintiva do circuito OK é que sua corrente de coletor Ik depende apenas da resistência da carga e da tensão da fonte do sinal de entrada. Ao mesmo tempo, os parâmetros do transistor não desempenham nenhum papel. Eles dizem sobre esses circuitos que são cobertos por um retorno de tensão de cem por cento.

Como mostra a Figura 9, a corrente na carga do emissor (é a corrente do emissor) In = Ik + Ib. Considerando que a corrente de base Ib é desprezível em comparação com a corrente de coletor Ik, podemos assumir que a corrente de carga é igual à corrente de coletor In = Iк. A corrente na carga será (Uin - Ube) / Rн. Nesse caso, assumimos que Ube é conhecido e é sempre igual a 0,6V.

Daqui resulta que a corrente do coletor Ik = (Uin - Ube) / Rn depende apenas da tensão de entrada e da resistência da carga. A resistência da carga pode ser alterada dentro de amplos limites, no entanto, não é necessário zelo particularmente. De fato, se em vez de Rn colocarmos um prego - um centésimo, então nenhum transistor aguenta!

O circuito OK facilita a medição do coeficiente de transferência de corrente estática h21e. Como fazer isso é mostrado na Figura 10.

Figura 10

Primeiro, meça a corrente de carga, como mostra a Figura 10a. Nesse caso, a base do transistor não precisa ser conectada em nenhum lugar, como mostra a figura. Depois disso, a corrente de base é medida de acordo com a Figura 10b. Em ambos os casos, as medições devem ser realizadas nas mesmas quantidades: em amperes ou em miliamperes. A tensão e a carga da fonte de alimentação devem permanecer inalteradas nas duas medições. Para descobrir o coeficiente estático da transferência de corrente, basta dividir a corrente de carga pela corrente de base: h21e ≈ In / IB.

Deve-se notar que, com o aumento da corrente de carga, o h21e diminui um pouco e, com o aumento da tensão de alimentação, aumenta. Os repetidores de emissor geralmente são construídos em um circuito push-pull usando pares complementares de transistores, o que permite aumentar a potência de saída do dispositivo. Esse seguidor de emissor é mostrado na Figura 11.

Figura 11.

Figura 12.

Ligar transistores de acordo com um esquema com uma base OB comum

Esse circuito fornece apenas ganho de tensão, mas possui melhores propriedades de frequência em comparação com o circuito OE: os mesmos transistores podem operar em frequências mais altas. A principal aplicação do esquema OB são os amplificadores de antena UHF. Um diagrama do amplificador da antena é mostrado na Figura 12.