Bipolārais savienojuma tranzistors (BJT): definīcija, darbība, pielietojums

Uzzini par bipolāro savienojuma tranzistoru (BJT): definīcija, darbības princips un pielietojumi — pastiprinātāji, slēdži un integrālshēmas komponentes.

Bipolārā savienojuma tranzistors (BJT jeb bipolārais tranzistors) ir tranzistora veids, kura darbībai nepieciešams divu veidu pusvadītāju kontakts. BJT var izmantot kā pastiprinātājus, slēdžus vai oscilatorus. BJT var atrast vai nu atsevišķi, vai arī lielā skaitā kā integrālshēmu daļas.

Tos sauc par bipolāriem tranzistoriem, jo to darbībā ir iesaistīti gan elektroni, gan caurumi.

Struktūra — NPN un PNP

BJT sastāv no trim slāņiem: emitera, bāzes un kolektora. Ir divi galvenie tipu polarisācijas veidi:

• NPN — emiters un kolektors ir N-tipā, bāze ir P-tipā. Strāva galvenokārt plūst no kolektora uz emiteru (parasti elektronus kā majoritātes nesējus).
• PNP — emiters un kolektors ir P-tipā, bāze ir N-tipā. Strāva plūst pretējā virzienā (caurumi kā majoritātes nesēji).

Darbības princips

BJT darbībai raksturīgi divi svarīgi spriegumi: emitera–bāzes (V_BE) un kolektora–bāzes (V_CB). Lai tranzistors darbotos aktīvajā režīmā (pastiprināšanai), parasti emitera–bāzes pārslēgums ir forwards (V_BE ~ 0.6–0.8 V silīcija tran­sistoros), bet kolektora–bāzes tiek noturēts reversā virzienā. Galvenās darba fāzes:

• Izslēgts (cutoff) — V_BE zem sliekšņa, gandrīz nav kolektora strāvas.
• Aktīvais režīms (active) — V_BE forward, V_CB reverse; kolektora strāva kontrolējas ar bāzes strāvu un rodas pastiprinājums.
• Saturācija (saturation) — abi PN pārejas forward; tranzistors uzvedas kā slēdzis ar zemu kolektora-emitera spriegumu.
• Apgrieztais aktīvais (reverse-active) — kolektors un emiters apmainījušies lomu dēļ polaritātes; parasti ar sliktāku parametru veiktspēju.

Galvenie elektriskie parametri

• HFE vai β (beta) — statiskais strāvas pastiprinājums: β = I_C / I_B. Tas rāda, cik reizes kolektora strāva (I_C) pārsniedz bāzes strāvu (I_B). Vairākos BJT beta var būt no dažiem desmitiem līdz vairākiem simtiem; tipiskas vērtības parasti svārstās plašā diapazonā un ir atkarīgas no ražotāja, modeļa un darbības strāvas. Iegūto strāvu mēra h_fe (Forward Current Gain). Tipisks lielums var būt 200–350 atkarībā no tranzistora un darba punkta.
• V_BE — emitera–bāzes spriegums, silīcija ierīcēm ~0.6–0.8 V pie normāla darba punkta.
• Ic max — maksimālā pastāvīgā kolektora strāva.
• P_D — maksimālā izkliedes (dissipation) jauda, kas norāda, cik daudz siltuma tranzistors var izkliedēt bez pārkaršanas.
• f_T — pārejas frekvence (transition frequency), kurā pašu strāvas pastiprinājums krītas līdz 1; svarīgs parametrs augstfrekvences pielietojumiem.

Raksturīgās vienādojumu saīsinātas attiecības

• I_C ≈ β × I_B — vienkāršota saistība aktīvajā režīmā.
• I_E = I_C + I_B — emitera strāvas sadalījums.

Tipiskie pielietojumi

• Analogrādas pastiprināšanas ķēdes — priekšpastiprinātāji, beigu pastiprinātāji (audio), signāla kondicionēšana.
• Digitālie slēdži — vadītāji (switches) un releju vadība, kur tranzistors strādā saturācijas un izslēgšanas režīmos.
• Oscilatori un frekvences ģeneratori — izmantojot atgriezenisko saišu tīklus un pastiprinošas īpašības.
• Strāvas avoti un spektrālie pastiprinātāji — aktīvie strāvas avoti, diferenciālie pastiprinātāji un cita analogā elektronika.

Savienojumu konfigurācijas

• Kopējais emiters (common-emitter) — sniedz lielu sprieguma un strāvas pastiprinājumu; parasti izmanto amplifikācijai. Raksturo arī 180° fāzes nobīde starp ieeju un izeju.
• Kopējā bāze (common-base) — zems ieejas pretestības, bet laba ātrgaitas proprtija; nav fāzes maiņas.
• Kopējais kolektors (emitter follower) — augsta ieejas pretestība un zema izejas pretestība; izmanto kā buferi (bez sprieguma pastiprinājuma, aptuveni 1 V_BE zaudējums).

Biasēšana un termiskie apsvērumi

Lai nodrošinātu stabilu darbību, BJT ķēdēs izmanto biasēšanas tīklus, kas nostiprina tranzistoru vēlamajā darba punktā (Q-punktā). BJT parametri (it īpaši β) mainās ar temperatūru un strāvu, tāpēc ķēdēs bieži ievieto negatīvas atsauksmes un termiskos kompensatorus, lai izvairītos no termiskās bēdprogramēšanās (thermal runaway).

Praktiski aspekti un montāža

BJT tiek ražoti dažādos iepakojumos (TO-92, TO-220 u.c.) atkarībā no jaudas un siltuma izkliedes prasībām. Ja strāvas un jaudas prasības ir lielas, nepieciešama dzesēšana ar radiatoru. Izvēloties tranzistoru, jāņem vērā maksimālie spriegumi, strāvas, jauda un frekvences parametri.

Saīsinājums un noslēgums

BJT ir universāls pusvadītāju elements ar plašu pielietojumu klāstu gan analogajā, gan digitālajā elektronikā. Izpratne par to darbības režīmiem, biasēšanu un termiskajiem ierobežojumiem ir būtiska, lai pareizi izvēlētos un izmantotu tranzistorus projektos.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir bipolārā savienojuma tranzistors?

J: Kādi ir dažādi BJT lietojumi?

J: Kur var atrast BJT?

J: Kāpēc tos sauc par bipolāriem tranzistoriem?

J: Kas ir hfe BJT?

J: Kāds ir tipiskais hfe diapazons BJT?

J: Kāda ir forward current gain funkcija BJT?

Meklēt pēc burta