Transistors npn

El primer transistor d'unió bipolar es va inventar el 1947 als laboratoris Bell. "Dues polaritats" s'abrevia com a bipolar, d'aquí el nom de transistor d'unió bipolar. BJT és un dispositiu de tres terminals amb col·lector (C), base (B) i emissor (E). Per identificar els terminals d’un transistor es requereix el diagrama de pins d’una part BJT concreta, estarà disponible al full de dades. Hi ha dos tipus de transistors BJT - NPN i PNP. En aquest tutorial parlarem dels transistors NPN. Considerem els dos exemples de transistors NPN: BC547A i PN2222A, que es mostren a les imatges anteriors.

Segons el procés de fabricació, la configuració del pin canviarà i els detalls estaran disponibles al full de dades corresponent. A mesura que augmenta la potència nominal del transistor, cal connectar el dissipador de calor al cos del transistor. Un transistor imparcial o un transistor sense potencial aplicat als terminals és similar a dos díodes connectats esquena-esquena com es mostra a la figura següent.

El díode D1 té una propietat de conducció inversa basada en la conducció directa del díode D2. Quan un corrent flueix a través del díode D2, el díode D1 detecta el corrent i es deixarà fluir un corrent proporcional en la direcció inversa des del terminal del col·lector fins al terminal de l’emissor sempre que s’apliqui un potencial més alt al terminal del col·lector. La constant proporcional és el guany (β).

Funcionament dels transistors NPN:

Com s'ha comentat anteriorment, el transistor és un dispositiu controlat per corrent que té dues capes d'esgotament amb potencial de barrera específic necessari per difondre la capa d'esgotament. El potencial de barrera per a un transistor de silici és de 0,7 V a 25 ° C i 0,3 V a 25 ° C per a un transistor de germani. Majoritàriament, el tipus comú de transistor utilitzat és el de silici perquè el silici és l’element més abundant a la terra després de l’oxigen.

Funcionament intern:

La construcció del transistor npn és que les regions del col·lector i de l'emissor es dopen amb material de tipus n i la regió de base es dopa amb una capa petita de material de tipus p. La regió emissora està molt dopada en comparació amb la regió del col·lector. Aquestes tres regions formen dues unions. Són la unió col·lector-base (CB) i la unió base-emissor.

Quan s’aplica un VBE potencial a través de la unió base-emissor que augmenta de 0V, els electrons i els forats comencen a acumular-se a la regió d’esgotament. Quan el potencial augmenta per sobre de 0,7 V, s’assoleix el voltatge de barrera i es produeix la difusió. Per tant, els electrons flueixen cap al terminal positiu i el flux de corrent base (IB) és oposat al flux d’electrons. A més, el corrent del col·lector a l’emissor comença a fluir, sempre que s’apliqui la tensió VCE al terminal del col·lector. El transistor pot actuar com a interruptor i com a amplificador.

Regió de funcionament versus mode d'operació:

1. Regió activa, IC = β × IB - Funcionament de l'amplificador

2. Regió de saturació, IC = Corrent de saturació: funcionament del commutador (completament activat)

3. Regió de tall, IC = 0 - Funcionament del commutador (completament DESACTIVAT)

Transistor com a interruptor:

Per explicar amb un PSPICE s'ha seleccionat el model BC547A. El primer que cal tenir en compte és utilitzar una resistència limitadora de corrent a la base. Els corrents de base més alts danyaran un BJT. Des del full de dades, el corrent màxim del col·lector és de 100 mA i es dóna el guany corresponent (hFE o β).

Passos per seleccionar components, 1. Cerqueu el corrent del col·lector amb el corrent consumit per la vostra càrrega. En aquest cas serà de 60mA (bobina de relé o LED paral·lels) i resistència = 200 Ohms.

2. Per conduir el transistor en condicions de saturació, s’ha de subministrar un corrent base suficient perquè el transistor estigui completament engegat. Càlcul del corrent base i de la resistència corresponent a utilitzar.

Per a una saturació completa, el corrent base s’aproxima a 0,6 mA (ni massa alt ni massa baix). Així, a continuació es mostra el circuit amb 0V a la base durant el qual el commutador està en estat OFF.

a) Simulació de PSPICE de BJT com a commutador, ib) Condició de commutador equivalent

Teòricament l'interruptor està completament obert, però pràcticament es pot observar un flux de corrent de fuita. Aquest corrent és insignificant ja que es troben en pA o nA. Per a una millor comprensió del control de corrent, es pot considerar un transistor com una resistència variable a través del col·lector (C) i l’emissor (E) la resistència dels quals varia en funció del corrent a través de la base (B).

Inicialment, quan no circula corrent per la base, la resistència a través de la CE és molt elevada, ja que no hi circula corrent. Quan s’aplica un potencial de 0,7 V i superior al terminal base, la unió BE es difon i fa que la unió CB es difongui. Ara el corrent flueix del col·lector a l’emissor en funció del guany.

a) Simulació de PSPICE de BJT com a commutador, ib) Condició de commutador equivalent

Ara vegem com controlar el corrent de sortida controlant el corrent base. Considerant IC = 42mA i seguint la mateixa fórmula anterior obtenim IB = 0,35mA; RB = 14,28 kOhms ≈ 15kOhms.

a) Simulació de PSPICE de BJT com a commutador, ib) Condició de commutador equivalent

La variació del valor pràctic del valor calculat es deu a la caiguda de tensió del transistor i a la càrrega resistiva que s’utilitza.

Transistor com a amplificador:

L’amplificació és la conversió d’un senyal feble en forma útil. El procés d'amplificació ha estat un pas important en moltes aplicacions com senyals transmesos sense fils, senyals rebuts sense fils, reproductors Mp3, telèfons mòbils, etc. El transistor pot amplificar potència, tensió i corrent en diferents configuracions.

Algunes de les configuracions que s’utilitzen en circuits amplificadors són

1. Amplificador d’emissor comú
2. Amplificador col·lector comú
3. Amplificador de base comú

Dels tipus anteriors, el tipus d’emissor comú és la configuració més utilitzada i popular. L'operació es produeix a la regió activa, el circuit d'amplificador d'emissor comú d'una sola etapa n'és un exemple. Un punt de polarització estable de CC i un guany de CA estable són importants per dissenyar un amplificador. El nom d'amplificador d'una sola etapa quan només s'utilitza un transistor.

A la part superior hi ha un circuit d'amplificador d' una sola etapa on un senyal feble aplicat al terminal base es converteix en β vegades el senyal real al terminal del col·lector.

Propòsit parcial:

CIN és el condensador d’acoblament que acopla el senyal d’entrada a la base del transistor. Així, aquest condensador aïlla la font del transistor i permet que només passi el senyal de corrent altern. CE és el condensador de derivació que actua com el camí de baixa resistència del senyal amplificat. COUT és el condensador d’acoblament que acopla el senyal de sortida del col·lector del transistor. Així, aquest condensador aïlla la sortida del transistor i permet que només passi el senyal de corrent altern. R2 i RE proporcionen l’estabilitat a l’amplificador, mentre que R1 i R2 junts asseguren l’estabilitat en el punt de biaix de CC actuant com a divisor de potencial.

Operació:

El circuit funciona instantàniament per a cada interval de temps. Simplement per entendre, quan el voltatge de corrent altern al terminal base augmenta l’increment corresponent dels fluxos de corrent a través de la resistència de l’emissor. Així, aquest augment del corrent de l’emissor augmenta el corrent de col·lector més alt que flueix a través del transistor, cosa que disminueix la caiguda de l’emissor del col·lector de VCE. De la mateixa manera, quan la tensió ca d'entrada es redueix exponencialment, la tensió VCE comença a augmentar a causa de la disminució del corrent de l'emissor. Tots aquests canvis de tensions es reflecteixen instantàniament a la sortida, que serà la forma d'ona invertida de l'entrada, però amplificada.

Característiques	Base Comuna	Emissor comú	Col·leccionista comú
Guany de tensió	Alt	Mitjà	baix
Guany actual	baix	Mitjà	Alt
Guany de potència	baix	Molt alt	Mitjà

Taula: taula de comparació de guanys

Basat en la taula anterior, es pot utilitzar la configuració corresponent.