Tranzistors — pusvadītāju komponents: pastiprinātājs un slēdzis (MOSFET)

Uzzini visu par tranzistoru — pusvadītāju komponentu kā pastiprinātāju un slēdzi (MOSFET). Darbība, pielietojumi un praktiski padomi elektronikai.

Tranzistors ir elektronisks komponents, ko var izmantot kā daļu no pastiprinātāja vai kā slēdzi. Tas ir izgatavots no pusvadītāju materiāla. Tranzistori ir sastopami lielākajā daļā elektronisko ierīču. Tranzistors bija nozīmīgs sasniegums pēc triodu lampas, jo tas izmantoja daudz mazāk elektrības un ilgāk darbojās daudzus gadus, lai pārslēgtu vai pastiprinātu citu elektronisko strāvu.

Tranzistoru var izmantot visdažādākajās lietās, tostarp pastiprinātājos un digitālajos slēdžos datoru mikroprocesoriem. Digitālajos darbos lielākoties izmanto MOSFET. Daži tranzistori ir atsevišķi iepakoti, galvenokārt tāpēc, lai tie varētu darboties ar lielu jaudu. Lielākā daļa tranzistoru ir integrālās shēmās.

Kā tranzistors darbojas

Vienkāršoti — tranzistors kontrolē strāvu starp divām galvenajām kājām, izmantojot trešo signāla vadītāju. BJT (bipolārais tranzistors) izmanto bāzi, lai kontrolētu strāvu starp emitētāju un kolektoru, savukārt MOSFET izmanto gaitu (gate), lai kontrolētu strāvu starp source un drain. Atkarībā no pievienotā sprieguma un strāvas tranzistors var darboties kā:

• Slēdzis — pilnīgi atvērts (ieslēgts) vai aizvērts (izslēgts); šis režīms ir būtisks digitālajā loģikā un barošanas elektroniskajos risinājumos.
• Pastiprinātājs — darbības reģionā tas pastiprina signālu: mazs ieejas signāls bāzē/gaitā rada lielāku izejas strāvas vai sprieguma svārstību kolektorā/drainā.

Galvenie tranzistoru veidi

Visizplatītākie veidi ir:

• BJT (npn, pnp) — strāvas vadīts elements. Tipiskā raksturlīkne norāda kolektora strāvu kā funkciju no bāzes strāvas; parametrs beta (vai hFE) nosaka pastiprinošo spēju.
• MOSFET (n-kanāla, p-kanāla; enhancement un depletion tipi) — sprieguma vadīts elements, ļoti izplatīts digitālajā loģikā (piem., CMOS) un jaudas pārslēgšanā. Svarīgi parametri ir sliekšņa spriegums Vth un Rds(on) (ieslēguma pretestība).
• JFET, IGBT un citi hibrīdi — JFET ir sprieguma vadāms kā ierobežots – mazāk izplatīts jaudas lietojumos, IGBT apvieno MOSFET vadību ar BJT strāvas spējām un tiek izmantots lielās jaudās.

Tranzistora darbības reģioni un termini

Parasti izdala trīs pamatrežīmus:

• Izgriezums (cutoff) — tranzistors gandrīz nevada (izmanto beigu/izslēgšanas stāvoklī).
• Aktīvā/lineārā zona — tranzistors darbojas kā pastiprinātājs; strāva attiecībā pret ieejas signālu ir lineāra (BJT) vai proporcionāla spriegumam (MOSFET).
• Saturācija (vai pilnais ieslēgums) — tranzistors ir pilnībā atvērts un darbojas kā zems pretestības slēdzis; šis reģions svarīgs slēdžu lietojumos.

Praktiskā izmantošana

Tranzistori tiek plaši izmantoti:

• Audio un RF pastiprinātājos (signālu pastiprināšanai un apstrādei).
• Digitālās loģikas ķēdēs un mikroprocesoros (miljardiem tranzistoru integrētās shēmās).
• Barošanas regulatoros un strāvas pārslēgšanos risinājumos (PWM, DC–DC pārveidotāji).
• Sensora priekšpastiprinātājos, oscilatoros, signāla kondicionēšanā un RF raidierīcēs.
• Jaudas elektronikas risinājumos — invertori, motora vadība, UPS utt.

Iepakojums, termiskā vadība un integrācija

Jaudas tranzistori bieži tiek piegādāti atsevišķos iepakojumos (piem., TO-220, TO-247), lai tos varētu uzstādīt uz radiatoriem (heat sink). Mazgabarīta signāla tranzistori parasti iekļauti integrālajās shēmās, kur tos ražo miljonos uz viena silīcija iekšējā slāņa. Galvenie apsvērumi:

• Termiskā jauda: katram tranzistoram ir maksimālā izkliedes jauda un termiska pretestība; pārsniegšana noved pie bojājumiem.
• Radiatori un montāža: lielas jaudas ierīcēs nepieciešami radiatoru risinājumi un pareiza siltuma savienojuma pastiprināšanai.
• Integrācija: digitālajās mikroshēmās MOSFET tehnoloģija ļāva sasniegt ļoti lielu elementu blīvumu un zemu enerģijas patēriņu.

Parametri, ko ņemt vērā izvēloties tranzistoru

Izvēloties tranzistoru konkrētam lietojumam, jāpārbauda:

• Maximālais spriegums (Vce, Vds) un strāva (Ic, Id).
• Rds(on) (MOSFET) vai hFE/beta (BJT) — ietekmē zudumus un pastiprinājumu.
• Sliekšņa spriegums Vth (MOSFET) un ātruma parametri (izmantojot kapacitātes un preces ātrumu).
• Termiskie rādītāji un drošais darba lauks (SOA).
• Iepriekš ieteicamie aprīkojumi — bāzes/gates pretestība, aizsardzība pret pārslodzi, diodes klātbūtne jaudas modulī.

Piezīmes par lietošanu un uzticamību

Daži vienkārši padomi praktiskai lietošanai:

• Vienmēr skatieties detaļas lapiņu (datasheet) pirms lietošanas; tur atrodami svarīgi ierobežojumi un ieteikumi.
• Lielai strāvai izmantojiet atbilstošu iepakojumu un radiatoru, kā arī pārslodzes aizsardzību.
• MOSFET gaitas var būt jutīgas pret sprieguma pārspriegumiem — izmantojiet aizsardzības elementus (RC, TVS diodes, pretestības starpposmus).
• Slēdzot ātri, ņemiet vērā izvairīšanos no nevēlamām svārstībām un EMI, izmantojot slēgšanas tīklus un pareizu izvietojumu.

Kopumā tranzistors ir universāls un fundamentāls elements mūsdienu elektronikā — no vienkāršiem signālu pastiprinātājiem līdz sarežģītām integrētām shēmām, kurās miljoniem MOSFET un citu tranzistoru sadarbojas, lai nodrošinātu mūsdienu skaitļošanas un vadības iespējas.

Kā tie darbojas

Tranzistoriem ir trīs spailes: vārti, dren un avots (bipolārā tranzistorā vadus var saukt par emiteri, kolektoru un bāzi). Ja avots (jeb emiteris) ir savienots ar akumulatora negatīvo spaili, bet drenāža (jeb kolektors) - ar pozitīvo spaili, ķēdē elektrība netecēs (ja ar tranzistoru virknē ir tikai lampa). Bet, kad jūs pieskaraties aizvaram un drenam kopā, tranzistors caurlaidīs elektrību. Tas ir tāpēc, ka, ja aizvars ir pozitīvi lādēts, pozitīvie elektroni izstumj citus tranzistora pozitīvos elektronus, ļaujot caurplūst negatīvajiem elektroniem. Tranzistors var darboties arī tad, ja aizvars ir tikai pozitīvi lādēts, tāpēc tam nav jāpieskaras drenam.

Vizualizācija

Tranzistora darbību var viegli iztēloties kā šļūteni ar asu līkumu, kas neļauj ūdenim izplūst cauri. Ūdens ir elektroni, un, pozitīvi uzlādējot aizbīdni, šļūtene atlocās, ļaujot ūdenim plūst.

Darlingtona tranzistora pamatshēmu veido divi bipolārie tranzistori, kas savienoti emiterī ar bāzi, lai tie darbotos kā viens tranzistors. Viens no tranzistoriem ir savienots tā, lai tas kontrolētu strāvu uz otra tranzistora bāzi. Tas nozīmē, ka var kontrolēt tādu pašu strāvas daudzumu ar ļoti mazu strāvas daudzumu, kas nonāk bāzē.

Kad centrālais kontakts ir darbināts, strāva var plūst.


Darlingtona tranzistora shēmas simbols. "B" apzīmē bāzi, "C" - kolektoru, bet "E" - emiteri.

Meklēt pēc burta