Использование транзисторов: Области применения транзисторов — изобретение транзистора

Области применения транзисторов — изобретение транзистора

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Существует два основных типа транзисторов: биполярные, и полевые. В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом  (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов различаются по областям применения. биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

Транзисторы можно применять не только в схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

 Основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

По виду выполняемой функции (целевому назначению) транзисторы можно разделить на усилительные, переключательные и генераторные.

Общими для расчетов усилителей на транзисторах (постоянного тока, низкой частоты, промежуточной частоты, высокой частоты и др.) являются входное и вы­ходное сопротивления каскада, соотношения, определяющие усиление, частотные свойства, режимы работы, температурная стабильность и прочие показатели.

В соответствии с назначением различают каскады предварительного усиления (напряжения, тока или мощности), предназначенные для получения максимального усиления (обычно по резисториой или трансформаторной схемам), и каскады усиле­ния мощности, обеспечивающие на заданной нагрузке необходимую (выходную) мощность при минимальных искажениях и мощности потребления от источника пи­тания.

В усилителях, имеющих хорошую температурную и режимную стабилизацию, замена транзистора на однотипный с более высоким значением h3is обычно не при­водит к значительному увеличению тока коллектора в рабочей точке.

Транзисторы некоторых типов используются в специфических классах схем и характеризуются рядом особенностей режима и условий работы. Эти специализи­рованные транзисторы образуют своеобразный класс приборов, например, транзисто­ры для схем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), для усилителей про­межуточной частоты, для работы в микроампериом диапазоне токов, для работы в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, лавинные транзисторы, сдвоенные, составные, двухэмиттер- Эые и т. п. Есть узлы, в которых требуются высоковольтные транзисторы. Оптимальное сочетание параметров и характеристик, удовлетворяющих различным требованиям, дает воз­можность использовать их в радиоэлектронной аппаратуре вместо некоторых уси­лительных и переключательных транзисторов (например, транзистор КТ630).

Для схем с АРУ разработаны специальные транзисторы (германиевые и крем­ниевые), обладающие регулируемым усилением при увеличении рабочего тока (пря­мая АРУ). Уменьшение усиления таких транзисторов на высокой частоте происходит вследствие снижения frp при увеличении тока эмиттера и уменьшения напряжения на коллекторе (например, КТ3128, ГТ328). В связи с этим наблюдается сильная зависимость Кур от тока. Обычно транзисторы имеют меньшую зависимость коэф­фициента усиления от электрического режима. Для зарубежных транзисторов, пред­назначенных для АРУ, часто указывается глубина регулировки усиления (отноше­ние максимального коэффициента усиления к минимальному).

Жесткие требования к экономичности радиоэлектронной аппаратуры в ряде специальных применений способствовали созданию кремниевых транзисторов, функ­ционирующих при малых токах (единицы и десятки микроампер)’, поскольку гер­маниевые транзисторы вследствие большого обратного тока коллектора для этой цели непригодны. Такие приборы (например, транзисторы КТ3102, КТ3107) имеют малые токи 1кБО и большие коэффициенты усиления. Однако при работе в микро­режиме у них ухудшаются частотные свойства, но несколько улучшаются шумо­вые характеристики. Кроме того, при малых токах обычно увеличивается зависи­мость параметров от температуры, снижается крутизна и затрудняется стабили­зация режима.

Реализация большого коэффициента усиления по мощности в высокочастот­ных усилителях связана с уменьшением паразитной обратной связи, обусловленной проходной проводимостью транзистора Yi2. Разработаны транзисторы (напри­мер, КТ339АМ), у которых для снижения емкости обратной связи в транзисторную структуру введен интегральный экран (электростатический экран Фарадея), пред­ставляющий собой сочетание диффузионного экрана и дополнительного экранирую­щего диода. Применение интегрального экрана позволяет снизить емкость между коллекторным и базовым выводами в 2,5…4 раза (емкость С120 снижается до зна­чения ие более 0,3 пФ) и обеспечить большой коэффициент усиления Кур без при­менения схем нейтрализации.

Лавинные транзисторы предназначены для работы в режиме электрического пробоя коллекторного перехода. В зависимости от схемы включения они могут иметь управляемые S-образные (со стороны коллектора или эмиттера) и N-образ- ные (со стороны базы) вольт-амперные характеристики. Использование обычных транзисторов в этом режиме принципиально возможно и встречается на практике, но при этом не обеспечиваются необходимые быстродействие, амплитуда импуль­сов, стабильность и надежность. Например, одной из причин, снижающих эффек­тивность применения обычных высокочастотных транзисторов в лавинном ре­жиме, является значительное снижение частоты frp при увеличении коллекторного тока.

 Лавинные транзи­сторы применяются в релаксационных генераторах в ждущем или автоколеба­тельном режиме.

Следует также отметить транзисторы, предназначенные для использования в инверсном включении (например, зарубежные транзисторы 2N2432, 2N2944 — 2N2946, 2N4138), которые имеют малое остаточное напряжение (менее 1 мВ) и применяются в модуляторах для стабильных усилителей постоянного тока, по­строенных по схеме модуляции — демодуляции, в схемах управления реверсивными двигателями, в логических схемах, амплитудных детекторах и других схемах. В некоторых схемах, например автомобильного зажигания и строчной развертки телевизоров, при запирании транзистор может переходить в режим инверсного включения при работе на комплексную нагрузку.

Разработаны специальные модуляторные транзисторы, в основу которых по­ложены две транзисторные структуры. Это так называемые двухэмиттерные тран­зисторы, имеющие лучшие параметры инверсного включения (например, зарубеж­ные транзисторы 3N74—3N79, 3N108 — 3N111). У отечественного транзистора КТ118 остаточное напряжение менее 0,2 мВ.

Для работы в выходных каскадах усилителя низких частот радиовещательных приемников, высококачественных магнитофонов, радио, телевизоров разработаны германиевые и кремниевые транзисторы разного типа проводимости. Они характеризуются слабой зависимостью коэффициента усиления от тока, высокой частотой fЬ21э, низким напряжением Ukb нас, что позволяет улучшить акустические показатели устройств в широком диапазоне звуковых частот. В свою очередь, это дает возможность упрощать схемы усилителей, уменьшать число применяемых транзисторов, повышать надежность и снижать себестоимость устройств. Зависимость коэффициента передачи h3ia от тока характеризуется коэффициентом линейности — отношением коэффициентов передачи при двух значениях тока эмиттера. 

Использование силовых транзисторов в линейном режиме

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации в области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, — одна из самых непредсказуемых: многие простые решения проявляют себя так, что могут стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в таком режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT силовым транзисторам.

 

Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными проблемами:

1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.
2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных данных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.
3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

 

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных силовых транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самой большой проблемой при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход силового транзистора из строя.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток V_GS и от порогового напряжения V_TH:

где k = (μ_eC_OZW)/2L, μ_e — подвижность электронов, C_OZ — емкость оксидного слоя затвора, W — ширина канала, L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μ_e снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение V_TH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

Чем выше значение S, тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать силовой транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения dV_ТН/dT и dk/dT всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2), можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

1. Снижение теплового сопротивления.
2. Снижение напряжения сток-исток.
3. Увеличение тока стока.
4. Снижение коэффициента передачи (а следовательно и k).
5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения dV_ТН/dT.

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции силового транзистора. Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП силовых транзисторов и большинство РЧ МОП силовых транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

На рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения, и поэтому локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи, и силовой транзистор будет температурно-устойчивым.

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора

 

Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT силового транзистора есть внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно, можно сделать вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

 

Рекомендации по реализации линейного режима в силовых транзисторах

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям компании-производителя силового транзистора. Этот специалист может дать бесценную информацию и советы, которых нет в документации.

Второй этап — это нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, так как модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, потому что эта работа уже скорее всего была выполнена. После того как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

В таблице 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT силовым транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллекторэмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа силового транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Таблица 1. Данные по отказам силового транзистора APT200GN60J при работе в линейном режиме

VCE, В	IC, А	Р, Вт
500	0,227	114
450	0,25	113
400	0,338	135
350	0,413	145
300	0,473	142
250	0,565	141
200	0,68	136
150	1	150
100	1,84	184

Силовые транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса T_C во время отказа составляла около 75 °C. С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175 °C. Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На рис. 3 проиллюстрированы данные из таблицы 1, а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах T_J = 175 °C и T_C = 75 °C и 25 °C. Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур T_C = 25 °C и 75 °C). В большинстве документов публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25 °C. Если полагаться на эти данные, то окажется, что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить силовой транзистор!

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75 °C, он все равно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько силовых транзисторов, для того чтобы найти условия, вызывающие их повреждение.

На рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П силового транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125 °C (ниже температуры, при которой происходит повреждение силового транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании силового транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20 °C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принято значение 125 °C, таким образом, запас надежности составляет 50 °C относительно предельной температуры.

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Далее рассмотрим ОБР-П МОП транзистора APL502J, который был специально создан для работы в линейном режиме.

Рабочие ОБР-П силового транзистора APL502J представлены на рис. 5. По сравнению с APT200 GN60J (рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200 А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1,7 В в разогретом состоянии (1,5 В при комнатной температуре). Более надежный силовой транзистор APL502J при токе 26 A и температуре 125 °C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности, являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график, скорее всего, неадекватен линейному режиму.

 

Примеры применения силовых транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT силового транзистора, необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0 В до 400 В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75 °C или менее может понадобиться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (рис. 4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания рис. 4, следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0,16 A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения силового транзистора по данным из таблицы 1, таким образом, есть хороший запас надежности). При токе заряда 0,16 A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3,75 с. Ускорить заряд, конечно же, можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (то есть когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нет требований по времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения более приемлем.

Обеспечение работы силового транзистора в пределах ОБР-П для статического режима — решение только половины проблемы. Необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, так как напряжение на конденсаторной батарее возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0,16 A, 400 В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

На рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления силового транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеиваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12 °C. Если температура корпуса достигнет 75 °C, то средняя температура перехода должна приблизиться к 75 + 12 = 85 °C, что существенно меньше предельно-допустимого значения 125 °C.

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может понадобиться параллельное включение силовых транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400 Вт, 400 В, 20 А и перепад напряжения при полном открытии с током 20 А не более 1 В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75 °C.

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125 °C, воспользуемся кривыми ОБР-П, они представлены на рис. 5. Сначала проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26 А) максимальное значение R_{DS (on)} силового транзистора APL502J составляет 0,090 Ом. При температуре 125 °C значение R_{DS (on)} удваивается и составляет 0,180 Ом у каждого силового транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1 В/20 A = 0,050 Ом. Теперь находим, какое минимальное число силовых транзисторов позволит выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0,180 Ом/0,050 Ом = 3,6. Следовательно, необходимо минимум 4 силовых транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа силовых транзисторов.

Рассматривая ограничения ОБР-П, определим минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении. В данном случае это 400 В. В случае применения APL502J с температурами корпуса и перехода, 75 °C и 125 °C соответственно, при напряжении 400 В максимальный ток равен 0,2 А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число силовых транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 силовых транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении силовых транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи, несомненно, привела бы к выходу из строя силовых транзисторов.

Наконец, нам осталось решить последнюю проблему при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Она связана с разбросом пороговых напряжений у однотипных силовых транзисторов. В линейном режиме силовые транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый силовой транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которое будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, так как даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах (рис. 7). Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения, в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Рис. 7. Осуществление линейного режима при параллельном включении транзисторов

Для упрощения сборки и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для линейного режима, но они способны работать и в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный
резистор и датчик температуры
в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор. Тем самым транзистор минимизирует индуктивность и достигает охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.

Биполярные транзисторы.Виды и характеристики.Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью Vke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik и наиболее крутым графиком.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Похожие темы:

Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

Разновидности

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями:

• Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
• Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
• Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
• Материал изготовления: наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
• Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
• Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
• Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
• Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

• Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
• Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
• «Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
  — с индукционным переходом;
  — со встроенным переходом.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. Там говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевые транзисторы обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

К нему предъявляются требования:

• Отсутствие отрицательных факторов в соединении с переходом, стоком и истоком: гистерезис свойств, паразитное управление, чувствительность к свету.
• Устойчивость к температуре во время изготовления: невосприимчивость к эпитаксии, отжигу. Отсутствие различных примесей в активных слоях.
• Минимальное количество примесей.
• Качественная структура кристаллической решетки с наименьшим количеством дефектов.

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Полевые транзисторы с р-n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

• Постоянная величина. Не применяется.
• Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
• Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:

• Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
• Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
• Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие полевые транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

Похожие темы:

Использование GaN транзисторов кВт уровня в радиолокационных и авиационных системах. Часть 1.

I ВВЕДЕНИЕ

Импульсные кремниевые биполярные транзисторы с выходом мощности выше 1 кВт для использования на ГГц частотах были доступны на рынке последние несколько десятилетий. Биполярные транзисторы очень хорошо подходят для данного устройства, а технология хорошо проработана и очень надежна. Биполярные транзисторы предлагают ряд преимуществ по сравнению с LDMOS и GaN HEMT для данного устройства, включая возможность работать только от одного положительного источника напряжения, у них самые простые и дешевые схемы по любой технологии, возможность работать в классе С, что значит, что незначительный дробовой шум вводится на приемник во время выключения импульса, и не происходит снижение эффективности из-за мощности, потребляемой током покоя в период отключения импульса. Однако, биполярные транзисторы также имеют и некоторые недостатки, например, они требуют использования вредных для окружающей среды ВеО корпусов, что является основной причиной удорожания, и они имеют низкий коэффициент усиления, обычно около 9 дБ для устройства мощностью 1 кВт, по сравнению с 18-20 дБ для типичных деталей GaN или LDMOS. Низкий коэффициент усиления означает, что потребуется больше каскадов возбудителя, что увеличивает как стоимость, так и размер усилителя, а также снижает общую эффективность.

Устройства LDMOS с мощностью один кВт доступны около 10 лет. Первые устройства часто ломались из-за тиристорного защелкивания внутреннего паразитного биполярного транзистора в устройстве. Это происходит из-за того, что импульс устройства приводит к очень большому изменению в токе стока в короткий период времени,  и так как этот ток проходит через индуктор в цепи смещения стока, то возникает скачок напряжения через сток транзистора через Ldi/dt действие. Этот скачок может спровоцировать тиристорное защелкивание паразитного биполярного транзистора, что приводит к поломке устройства. Чем выше мощность транзистора, тем выше ток, который ведет к большему скачку напряжения, что делает устройства LDMOS кВт уровня более чувствительными к данному типу нарушения. Хотя сегодняшние LDMOS транзисторы значительно более надежны в преодолении этого скачка напряжения, чем первые устройства, но подобные нарушения до сих пор происходят. Тем не менее LDMOS транзисторы кВт уровня можно приобрести у ряда производителей для авиационных устройств, включая IFF, SSR, и TACAN/DME, а также радар L диапазона. LDMOS транзисторы имеют значительно более высокое усиления около 18-20 дБ по сравнению с 9 дБ у биполярных. Они не требуют использования ВеО корпусов. Оба эти фактора значительно снижают их стоимость. Однако, эффективность LDMOS на 5-10% ниже, чем у биполярных транзисторов, так как первые всегда работают в Классе А/В, тогда как биполярные транзисторы работают в Классе С.

В последние несколько месяцев были представлены GaN транзисторы кВт уровня [1,2] для авиационных устройств и радаров L диапазона. Эти устройства предлагают сходное с LDMOS усиление и имеют сопоставимую цену, но обладают самой высокой эффективностью из трех представленных технологий  — около 80%. Более высокая эффективность является следствием нескольких факторов, включая более низкое сопротивление наклона из-за очень высокой подвижности двумерного электронного газа в эпслое HEMT, и способность представлять оптимизированные импедансы на гармониках из-за гораздо меньшей емкости. Меньшая емкость также приводит к более высокому выходному сопротивлению транзистора, что требует более низкого коэффициента преобразования импеданса в сети согласования выходов, что, таким образом, имеет меньшие потери.

Хотя GaN и LDMOS транзисторы имеют значительные преимущества по сравнению с биполярными транзисторами для авиационных и радиолокационных устройств, оба они имеют один серьезный недостаток, а именно то, что оба они смещены в Класс А/В, что означает, что транзистор будет иметь ток покоя, протекающий через устройство в период выключения. То покоя приблизительно пропорционален выходной мощности, то есть рассеивание этой мощности становится значительной проблемой для транзисторов кВт уровня. Авиационные и радиолокационные устройства обычно используют 10% продолжительность включения, что означает, что транзистор потребляет свой ток покоя в течение 90% времени. Рис.1 показывает влияние этого тока покоя на общую эффективность 1кВт GaN транзистора для IFF/SSR устройств. Эффективность в момент импульса 81,5%, но общая эффективность снижается до 75,2% после учета тока покоя, потребленного во время отключения импульса. Есть еще одна серьезная проблема при использовании GaN или LDMOS, а именно тот факт, что ток покоя в период отключения генерирует дробовой шум [3], выраженный формулой

Выбор технологии СВЧ-транзисторов в усилителях мощности

Вступление

Грамотное проектирование твердотельных СВЧ-усилителей мощности (high power amplifier, HPA), особенно тех, которые используются в критически важных оборонных, авиакосмических и метеорологических приложениях, начинается с выбора наиболее подходящей технологии используемых дискретных или интегральных мощных полупроводниковых приборов. В настоящее время разработчики мощных СВЧ-усилителей имеют возможность выбирать из нескольких полупроводниковых технологий, применяемых для усиления импульсных и непрерывных (continuous-wave, CW) широкополосных или узкополосных сигналов в диапазоне частот от ВЧ, ОВЧ, УВЧ до L‑, S‑, C‑ и X‑диапазонов и выше. Транзисторы подобных усилителей мощности созданы на основе не только ряда устаревших и хорошо зарекомендовавших себя технологий полупроводниковых приборов (кремниевая биполярная Si-BJT, кремниевая VDMOS), но и более новых: кремниевая LDMOS и GaN-on-SiC HEMT (нитрид-галлиевые ПВПЭ транзисторы на подложках из карбида кремния). В зависимости от диапазона рабочих частот и ряда других требований каждая из транзисторных технологий обладает своими преимуществами с точки зрения выходной мощности, коэффициента усиления и эффективности (КПД). Таким образом, выбор приемлемого решения с позиции затрат и стоимости конечного изделия может оказаться весьма непростой задачей.

 

Выбор транзисторов в зависимости от приложения

Выбор технологии мощных СВЧ-транзисторов, как правило, основан на типе сигналов, с которыми они будут работать: например, с непрерывными сигналами (CW) или импульсными. При усилении импульсного сигнала наиболее важными его характеристиками являются длительность импульса и его коэффициент заполнения. Хотя мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы разных типов обладают достаточно высокой эффективностью, ни у одного транзистора КПД не равен 100%, поскольку некоторая часть мощности постоянного тока и высокочастотного сигнала неизбежно рассеивается в виде тепла, которое необходимо отвести. Тепловыделение при усилении постоянных (CW) или импульсных сигналов с большой длительностью импульса и с высоким коэффициентом заполнения различается в зависимости от используемой технологии. Это различие может оказаться иным при усилении импульсного сигнала с малой длительностью импульса или небольшим коэффициентом заполнения. Не существует некой универсальной технологии, которая отвечала бы всем требованиям, предъявляемым к современным усилителям мощности. Единственным решением в такой ситуации является сопоставление ключевых характеристик транзисторов разных типов с основными требованиями конкретного приложения. Нельзя также ограничиваться только сравнением спецификаций выбираемых транзисторов. Для обеспечения наилучшего сочетания производительности, надежности, минимизации тепловыделения, снижения общих затрат и сокращения перечня используемых элементов, как правило, приходится искать компромисс и на системном уровне.

 

Усилитель на биполярных кремниевых транзисторах

Рис. 1. Импульсная выходная мощность кремниевого биполярного транзистора IB1011S1500 составляет 1400 Вт при усилении импульсного сигнала с длительностью импульса 10 мкс и коэффициентом заполнения 1%. Рабочая частота: 1030 или 1090 МГц

Хотя кремниевые биполярные транзисторы и выполнены по самой старой технологии, используемой для усиления импульсного сигнала, они еще не списаны со счетов. Транзисторы этого типа все еще применяются в серийном производстве и будут выпускаться в обозримом будущем в силу постоянного спроса. Даже в настоящее время кремниевые биполярные транзисторы по некоторым своим характеристикам не имеют аналогов. Например, усилители, выполненные на полупроводниковых приборах подобного типа, отличаются наименьшими габаритами, дешевизной и нуждаются только в подаче одного положительного напряжения питания. Однако из-за малого коэффициента усиления, дорогостоящих и экологически небезопасных корпусов из бериллиевой керамики кремниевые биполярные транзисторы уже практически не используются при разработке новых усилителей мощности.

Ярким примером хорошо зарекомендовавшего себя мощного кремниевого биполярного транзистора может служить IB1011S1500 [1] компании Integra, показанный на рис. 1. Этот транзистор предназначен для систем опознавания, а также для вторичной радиолокации (secondary surveillance radar, SSR). Транзистор работает на частотах 1030 или 1090 МГц, обеспечивает усиление не менее 9,8 дБ и импульсную выходную мощность не менее 1400 Вт при КПД 48%, работе с импульсами длительностью 10 мкс и коэффициентом заполнения 1%.

 

Кремниевые транзисторы, выполненные по технологии LDMOS

Рис. 2. ILD1011L950HV — кремниевый LDMOS-транзистор с импульсной выходной мощностью 1100 Вт на частоте 1030 МГц при усилении импульсного сигнала в режиме Mode-S ELM в системах вторичной радиолокации

Кремниевая LDMOS-технология (горизонтальный МОП-транзистор, изготовленный методом двойной диффузии) — более современная транзисторная технология, чем кремниевая биполярная. Транзисторы, выполненные по этой технологии, широко используются в усилителях связных радиопередатчиков, требующих высокой линейности усиления, а также в широкополосных CW-усилителях. Эти транзисторы являются хорошим выбором для импульсных применений вплоть до L‑диапазона. Выпускаются LDMOS транзисторы L‑ и даже S‑диапазона, однако их производительность на этих частотах ниже, чем у нитрид-галлиевых (GaN) HEMT-транзисторов. Кремниевые LDMOS-транзисторы хорошо подходят для приложений с импульсами большой длительности и большим коэффициентом заполнения благодаря их очень низкому тепловому сопротивлению из расчета на 1 Вт, что также способствует их превосходной устойчивости к большим значениям КСВН (VSWR). Однако ограничивающим фактором при использовании кремниевых LDMOS-транзисторов является то, что у них ниже КПД не только по сравнению с биполярными, но и с GaN HEMT-транзисторами.

Хорошим примером современного кремниевого LDMOS-транзистора для авиационных приложений L‑диапазона может служить ILD1011L950HV [2] компании Integra, показанный на рис. 2. У этого транзистора при усилении импульсного сигнала в режиме Mode-S ELM (Enhanced Message Length — передача длинных сообщений: пачка из 48 импульсов — 32 мкс вкл./18 мкс выкл., период повтора посылок — 24 мс, усредненный коэффициент заполнения — 6,4%) на частоте 1030 МГц коэффициент усиления составляет около 16 дБ, а КПД — 55% при импульсной выходной мощности 1100 Вт. В отличие от аналогичных устройств, предлагаемых другими производителями, ILD1011L950HV представляет собой одиночный транзистор, а не двухтактную пару. Следовательно, ему требуется меньшая по габаритам и менее дорогостоящая упрощенная схема, поскольку отпадает необходимость в симметрирующем трансформаторе (балуне). Эту особенность следует обязательно учитывать при сравнении спецификаций в процессе выбора транзистора.

 

Переход на нитрид-галлиевую технологию

Рис. 3. IGN1011L1200 — мощный GaN-on-SiC транзистор с импульсной выходной мощностью 1250 Вт. Транзистор предназначен для работы на частотах 1030 и 1090 МГц в режиме Mode-S ELM в составе систем вторичной радиолокации

Технология нитрид-галлиевых ПВПЭ (GaN HEMT) транзисторов — новейшая технология изготовления мощных усилительных полупроводниковых ВЧ/СВЧ-приборов, быстро набирающая популярность во многих приложениях благодаря высокому коэффициенту усиления и большой выходной мощности в S-диапазоне и выше. Как правило, приборы этого типа выполнены на подложке из карбида кремния (SiC), которая, обеспечивая высокую теплопроводность, способствует повышению долговременной надежности работы устройств.

GaN HEMT-транзисторы в силу конструктивного исполнения на SiC-подложке, обеспечивающей оптимальное охлаждение, идеально подходят для импульсных приложений высокой мощности с их строгими требованиями к плотности мощности (по сравнению с CW-приложениями). Кроме того, поскольку эти транзисторы отличаются высокой плотностью мощности, их выходная емкость из расчета на 1 Вт намного ниже, чем у конкурирующих с ними технологий. Это позволяет проводить настройку гармонических составляющих сигнала на выходе, что обеспечивает КПД выше 85% даже при киловаттных уровнях выходной мощности. Меньшая емкость из расчета на 1 Вт — то, что позволяет этим полупроводниковым устройствам работать на гораздо более высоких частотах, чем при использовании технологии LDMOS.

Однако одним из недостатков, присущих GaN HEMT-транзисторам, является то, что они являются полупроводниковыми устройствами, работающими в режиме обеднения носителями. Это значит, что для их функционирования требуется и положительное, и отрицательное напряжения. Кроме того, напряжение на затвор такого транзистора подается до появления напряжения на его стоке. Чтобы нивелировать этот недостаток, компания Integra в усилительных субмодулях (паллетах) использует специальные схемы, распределяющие по времени управляющие импульсы затвора (gate pulsing and sequencing, GPS). Такое решение позволяет избежать затруднений, связанных с указанной особенностью GaN HEMT-транзисторов, и не приводит к увеличению числа элементов в конечном решении усилителя.

Примером современного GaN HEMT-устройства является транзистор IGN1011L1200 [3] компании Integra, представленный на рис. 3. Импульсная выходная мощность транзистора (предназначенного для систем опознавания и обзорных радиолокационных станций) превышает 1250 Вт. Он работает на частотах 1030 и 1090 МГц в том же схемотехническом решении, что является следствием исключительно низкого отношения емкости из расчета на 1 Вт. При коэффициенте усиления около 17 дБ у IGN1011L1200 — очень высокий КПД: 85% в режиме Mode-S ELM при усилении импульсного сигнала соответствующего формата (пачка из 48 импульсов — 32 мкс вкл./18 мкс выкл., период повтора посылок — 24 мс, усредненный коэффициент заполнения — 6,4%.

 

Выбор технологии для конкретного приложения

Требования, предъявляемые конкретным приложением к параметрам проектируемого усилителя (тип сигнала, диапазон рабочих частот, уровень выходной мощности и т. д.), во многом определяют выбор транзисторной технологии. На более низких частотах все рассмотренные нами технологии изготовления транзисторов являются вполне приемлемыми кандидатами, и выбор типа транзистора зависит от того, что для проектируемого приложения является наиболее критичным. В S‑диапазоне и выше GaN HEMT-транзисторы на подложке из карбида кремния находятся вне конкуренции и являются, пожалуй, единственными подходящими кандидатами. Однако если задача обеспечения баланса между стоимостью и производительностью сложнее, рекомендуется сначала выяснить, какая из транзисторных технологий традиционно является наиболее подходящей для импульсных или CW-приложений. В таблице приведены преимущества и недостатки трех рассмотренных транзисторных технологий применительно к радиолокации.

Таблица. Сравнение технологий мощных СВЧ-транзисторов для импульсных радиолокационных применений

Параметр	Технология
	Кремниевая биполярная	Кремниевая LDMOS	GaN/SiC
Плотность мощности, Вт/см2	высокая	средняя	очень высокая
Эффективность (КПД)	высокая	низкая	очень высокая
Усиление	низкое	высокое	очень высокое
Емкость/Вт (для максимальной мощности и полосы пропускания необходимо как можно более низкое значение)	средняя	средняя	низкая
Широкополосное согласование	сложное	сложное	простейшее
Сложность построения схемы смещения	низкая	средняя	высокая
Типовое напряжение смещения, В	28–60	28–50	24–50
Максимальная рабочая частота	S-диапазон (2–4 ГГц)	C-диапазон (4–8 ГГц)	более 10 ГГц
Тепловые характеристики транзисторов в импульсном режиме	посредственные	хорошие	хорошие
Устойчивость к высокому КСВН	слабая	высокая	средняя
Уровень зрелости технологии	высокая	высокая	средняя
Цена (долл./Вт)	средняя	низкая	средняя
Экологические характеристики	плохие (используется корпус из BeO)	отличные	отличные

 

Заключение

Какие из характеристик выбираемых СВЧ-транзисторов окажутся наиболее важными в процессе выбора, зависит от баланса между производительностью и ценой создаваемого усилителя. В некоторых случаях применение дорогих транзисторов оправдано, если снижается стоимость системы в целом. Диапазон рабочих частот и тип усиливаемого сигнала (импульсный или CW) являются отправными точками при выборе транзисторной технологии. Именно эти параметры помогут значительно сократить время на подбор транзисторов и общей конструкции усилителя для конкретной задачи. Не последнюю роль играет и понимание особенностей работы конкретной структурной схемы усилителя мощности, а также дополнительные функции и возможности, предоставляемые производителем. Необходимо знать расстояние, на которое передается сигнал радара, рабочую частоту и разрешающую способность, чтобы определить бюджет на выбираемые мощные СВЧ-транзисторы.

Рис. 4. Готовый усилительный субмодуль (паллета) включает в себя помимо усилительных цепей элементы высокочастотного согласования, схемы питания и управления, упрощающие интеграцию транзистора в усилитель мощности

Рассмотренные нами мощные СВЧ-транзисторы являются лишь единичными представителями широкого ассортимента полупроводниковых приборов от компании Integra, изготовленных с использованием всех трех рассмотренных технологий [4]. Заметим, что транзисторы выпускаются с внутренним согласованием импеданса и без согласования, а также в разных корпусах. Кроме того, предлагаются решения в виде уже готовых усилительных субмодулей (паллет). Подобные интегральные решения помимо собственно усилительных цепей включают в себя элементы высокочастотного согласования, схемы питания и управления (рис. 4), что максимально упрощает их интеграцию в создаваемую систему.

Литература

1. integratech.com/ib1011s1500‑bipolar-l‑band-avionics-transistor-operating-at‑1300w /ссылка утеряна/
2. integratech.com/ild1011l950hv-ldmos-l‑band-avionics-transistor-operating-at‑950w /ссылка утеряна/
3. integratech.com/ign1011l1200‑l‑band-gan-sic-transistor /ссылка утеряна/
4. etsc.ru/files/integra/integra_brochure_rus.pdf.

Что такое вакуумный транзистор?

В сентябре 1976 года, в самый разгар холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский летчик перебежчик, свернул с курса тренировочного полета МиГ-25 над Сибирью, пересёк на малой высоте и высокой скорости Японское море и посадил свой самолет в гражданском аэропорту на острове Хоккайдо с остатком топлива всего на 30 секунд. Его драматические дезертирство было настоящей удачей для американских военных аналитиков, которые впервые получили возможность изучить секретный сверхзвуковой советский истребитель, который, как они думали, был одним из самых боеспособных самолетов в мире. То, что они обнаружили, поразило их.

С одной стороны, планер был построен более грубо, в сравнении с современными американскими истребителями, был сделан в основном из стали, а не из титана. Более того, они обнаружили, что отсеки электроники (авионики) самолета были заполнены оборудованием на основе электровакуумных ламп, а не транзисторов. Очевидный вывод заключался в том – предыдущие страхи в сторону, – что даже самые передовые технологии Советского Союза до смешного отставали от Запада.

В конце концов, в США электровакуумные лампы (трубки) уступили своё место малогабаритным и энергоэффективным твердотельным полупроводниковым приборам ещё двумя десятилетиями ранее, вскоре после того как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн создали свой первый транзистор в Bell Laboratories в 1947 году. К середине 1970-х годов, в западной электронике вакуумные лампы можно было найти лишь в некоторых видах специальной техники, не считая вездесущих кинескопов для телевизоров. Сегодня и кинескопы исчезли, так что за пределами нескольких ниш, вакуумные трубки являются вымершей технологией. Отсюда, возможно, станет сюрпризом узнать, что достаточно небольшие изменения в сегодняшней технологии изготовления интегральных микросхем смогут ещё вернуть к жизни вакуумную электронику.

В Исследовательском центре НАСА в Эймсе мы работали в течение нескольких последних лет над созданием транзистора с вакуумным каналом. Наше исследование все еще находится на ранней стадии, но прототипы, которые мы сконструировали, показывают, что новый прибор имеет уникальные возможности. Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее, чем обычные кремниевые транзисторы, и в конечном итоге смогут функционировать на терагерцовых частотах, которые до сих пор вне досягаемости любого твердотельного прибора. Они также не боятся высоких температур и радиации. Чтобы понять, почему, разберёмся немного в конструкции и функционировании старых добрых вакуумных трубок.

Потомок лампочки

Вакуумные трубки (лампы) появились из обычных осветительных лампочек, разработка подстёгнута исследованиями Томаса Эдисона в способности нагретых нитей испускать электроны. Этот образец 1906 года – ранняя трубка типа Audion, обнаруживает близкое сходство с лампочкой, хотя нить накала в этой конкретной трубке не видна, т.к. давно сгорела. Эта нить вначале выступала в качестве катода, из которого электроны летели к аноду, т.е. пластине, находящейся в центре стеклянной трубки. Электронный поток от катода к аноду можно регулировать изменяя напряжение, подаваемое на сетку, зигзагообразному проводу под пластиной.

Вакуумные трубки размером с большой палец, которые усиливали сигналы в бесчисленных радио- и телевизионных приемниках первой половины 20-го века, внешне совершенно не похожи на полевые транзисторы типа металл-окисел- полупроводник (МОП – MOSFETs), которые регулярно поражают нас своими возможностями в современной цифровой электронике. Но во многих других отношениях, они очень похожи. Прежде всего, они являются трёхэлектродными приборами. Напряжение, приложенное к одному из электродов – сетке в простой триодной вакуумной трубке и затвору в полевом транзисторе МОП, – управляет величиной тока, протекающего между двумя другими электродами: от катода к аноду в вакуумной трубке и от истока к стоку в МОП-транзисторе. Эта способность, позволяет каждому из этих устройств функционировать в качестве усилителя или, при достаточно резком управлении, в качестве переключателя.

Однако, характер электрического тока в вакуумной трубке существенно отличается от тока в транзисторе. Вакуумные трубки базируются на процессе, называемом термоэлектронная эмиссия. Нагревание катода приводит к испусканию им электронов в окружающий вакуум. Ток в транзисторах, с другой стороны, происходит от дрейфа и диффузии электронов (или «дырок», местах, где электроны отсутствуют) между истоком и стоком через твердый полупроводниковый материал, который отделяет их.

Почему вакуумные трубки уступили твердотельной электронике много десятилетий назад? Преимущества полупроводников заключаются в низкой стоимости, гораздо меньших размерах, большем времени жизни, эффективности, прочности, надежности и высокой степени интеграции. Несмотря на эти преимущества, если рассматривать только качество среды для транспортировки заряда, то вакуум, безусловно, побеждает полупроводники. Электроны распространяются свободно через вакуумную пустоту, в то время как они испытывают столкновения с атомами в твердом теле (этот процесс называется рассеянием кристаллической решётки). Более того, вакуум не склонен к своеобразным радиационным повреждениям, поражающим полупроводники, и он производит меньше шума и искажений, чем твердотельные материалы.

Недостатки трубок были не такими раздражающими, когда требовалось их небольшое количество для построения радиоприёмника или телевизора. Но они оказались действительно хлопотными в более сложных устройствах. Например, в 1946 году компьютер ENIAC использовал 17468 вакуумных трубок, потреблял 150 киловатт электроэнергии, весил более 27 тонн и занимал почти 200 квадратных метров площади. И он ежедневно или через день выходил из строя из-за неисправности ламп.

Чип в бутылке

Простейшей электронной лампой способной усиливать сигнал является триод, названный так потому, что содержит три электрода: катод, анод и сетку. Как правило, структура является цилиндрически симметричной – катод окружен сеткой, а сетка окружена анодом. Работа лампы аналогична работе полевого транзистора, здесь напряжение, приложенное к сетке, управляет током между двумя другими электродами. Триодная лампа часто имеет пять штырьков, два из которых предназначены для подключения нити накала.

Транзисторная революция положила конец таким разочарованиям. Но последовавшее кардинальное изменение в электронике произошло не столько из-за собственных преимуществ полупроводников, а потому, что инженеры получили возможность массового производства и объединения транзисторов в интегральные схемы методами химического травления кремниевой пластины с соответствующим рисунком. Поскольку технология изготовления интегральных схем непрерывно развивалась, то все больше и больше транзисторов становилось возможным поместить на кристалле, позволяя схемам становиться всё более сложными от одного поколения к другому. Электроника также стала работать быстрее, без существенных затрат.

Это преимущество по скорости вытекало из того факта, что, как только транзисторы становились меньше, электронам, движущимся в них приходилось преодолевать всё более короткие расстояния между истоком и стоком, что позволяло каждому транзистору включаться и выключаться быстрее. Вакуумные трубки, с другой стороны, были большими и громоздкими и должны были быть изготовлены индивидуально путём механической обработки. В то время как транзисторы улучшались на протяжении многих лет, процесс совершенствования трубок никогда даже отдаленно не напоминал закон Мура.

Но после четырех десятилетий сокращения размеров транзисторов, слой оксида, изолирующий электрод затвора типичного ПТ МОП (MOSFET), сейчас составляет толщину всего лишь в несколько нанометров, и всего несколько десятков нанометров отделяет его исток и сток. Обычные транзисторы действительно нельзя получить существенно меньшими. Тем не менее, стремление к более быстрым и более энергоэффективным чипам продолжается. Какой будет следующая новая технология транзистора? Нанопровода, углеродные нанотрубки и графен – все интенсивно развивается. Возможно, один из этих подходов обновит электронную промышленность. Или, может быть, все они скоро выдохнутся.

Мы работаем над созданием ещё одного кандидата на замену полевого МОП транзистора, который исследователи совершенствовали на протяжении многих лет, – транзистора с вакуумным каналом. Последний является результатом сочетания традиционной технологии электронных ламп и современных методов изготовления полупроводников. Этот любопытный гибрид совмещает в себе лучшие свойства вакуумных ламп и транзисторов и может быть изготовлен таким же малым и недорогим, как любой другой твердотельный прибор. В самом деле, возможность изготовить его малогабаритным ликвидирует основной недостаток вакуумных трубок.

Транзисторизация электронных ламп

Транзистор с вакуумным каналом напоминает обычный полевой транзистор типа металл-оксид-полупроводник или ПТ МОП (MOSFET) [слева]. В МОП-транзисторе, напряжение, подаваемое на затвор, устанавливает электрическое поле в полупроводниковом материале снизу. Это поле в свою очередь притягивает носители заряда в канал между областями истока и стока, что позволяет течь току. Никакой ток не втекает в затвор, изолированный от нижней подложки тонким слоем оксида. Транзистор с вакуумным каналом, разработанный авторами [справа], точно так же использует тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода и анода, которые резко заострены для повышения напряжённости электрического поля на концах.

В вакуумной трубке, электрическая нить накала, подобная нити в осветительной лампочке накаливания, используется для катодного нагрева достаточного для испускания электронов. Именно поэтому вакуумным лампам нужно время для разогрева, и поэтому они потребляют столь много энергии. Это является причиной их частого перегорания, нередко в результате незначительной течи в стеклянной колбе. Но транзисторы с вакуумным каналом не нуждаются в нити накала и горячем катоде. Если прибор выполнен достаточно малым, то электрического поля в нём достаточно для притяжения электронов из источника за счёт процесса, известного как автоэлектронная эмиссия. Устранение катодного нагревательного элемента уменьшает площадь каждого прибора на кристалле и делает этот новый вид транзистора энергоэффективным.

Еще одним слабым местом ламп является то, что они должны поддерживать высокий вакуум, обычно около одной тысячной от атмосферного давления, чтобы избежать столкновений между электронами и молекулами газа. При таком низком давлении, электрическое поле создаёт положительные ионы, возникающие из остаточного газа в трубке для ускорения, которые бомбардируют катод, создавая острые нанометровые выступы, которые ухудшают и, в итоге, разрушают его.

Эти давние проблемы вакуумной электроники не являются непреодолимыми. А что, если расстояние между катодом и анодом станет меньше, среднего расстояния пролёта электрона до первого столкновения с молекулой газа, это расстояние известно как длина свободного пробега? Тогда вам не придется беспокоиться о столкновении электронов с молекулами газа. Например, средняя длина свободного пробега электронов в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет около 200 нанометров, которая в масштабах сегодняшних транзисторов довольно большая. Использование гелия вместо воздуха даёт среднюю длину свободного пробега около одного микрометра. Это означает, что электрон, пролетая через, скажем, 100-нм зазор, находясь в гелии, будет иметь только о 10-процентную вероятность столкновения с газом. Если сделать зазор еще меньше, то вероятность столкновения снизится дальше.

Но даже с низкой вероятностью попадания, много электронов по-прежнему будет сталкиваться с молекулами газа. Если при воздействии выбивается связанный электрон из молекулы газа, то она становится положительно заряженным ионом, а электрическое поле направляет его полет в сторону катода. Под обстрелом всех этих положительных ионов, катоды деградируют. Таким образом, вы действительно стремитесь избежать этого насколько это возможно.

К счастью, если вы устанавливаете низкое напряжение, то электроны никогда не приобретут достаточной энергии для ионизации гелия. Так, если размеры вакуумного транзистора существенно меньше длины свободного пробега электронов (который нетрудно организовать), а рабочее напряжение является достаточно низким, то устройство сможет нормально работать при атмосферном давлении. То есть, у вас нет, в самом деле, потребности поддерживать какой-либо вакууме вообще, что номинально является миниатюрным кусочком «вакуумной» электроники!

Но как вы переведёте этот новый тип транзистора в состояния включено и выключено? В ламповом триоде, вы управляете током, протекающим через него, изменяя напряжение, приложенное к сеточному электроду, расположенному между катодом и анодом. Установка сетки ближе к катоду усиливает электростатическое влияние сетки, хотя слишком близкое расположение приводит к увеличению величины тока, текущего в сетку. В идеале, ток никогда не втекает в сетку, потому что на него расходуется энергии, что даже может привести лампу к неисправности. Но на практике небольшой ток сетки всегда существует.

Чтобы избежать подобных проблем, мы управляем током в нашем транзисторе с вакуумным каналом так же, как это делается в обычных МОП-транзисторах, используя электрод затвора, который имеет изолирующий диэлектрический материал (диоксида кремния), отделяющий его от токового канала. Диэлектрическая изоляция передает электрическое поле туда, где оно нужно, не допуская прохождения тока в затвор.

Итак, вы видите, что транзистор с вакуумным каналом вовсе несложный. В самом деле, принцип его работы гораздо проще, чем любого из ранее появившихся типов транзисторов.

Хотя мы все еще находимся на ранней стадии исследований, мы считаем, что наши последние усовершенствования транзистора с вакуумным каналом, в один прекрасный день окажут огромное влияние на электронную промышленность, и в частности, на применения, где скорость имеет первостепенное значение. Наши самые первые усилия по созданию прототипа привели к созданию прибора, который смог работать на 460 гигагерц, что примерно в 10 раз быстрее, чем может работать самый лучший кремниевый транзистор. Это делает транзистор с вакуумным каналом весьма перспективным для работы в области, которую иногда называют терагерцовым зазором (разрывом — gap), т.е. в части электромагнитного спектра, лежащей выше микроволнового и ниже инфракрасного диапазонов.

Заполнение зазоров

Транзисторы с вакуумным каналом способны работать на частотах выше микроволновой и ниже инфракрасной областей спектра, иногда называемых терагерцовым зазором из-за трудностей функционирования, которые испытывают большинство полупроводниковых приборов, уже работающих на этих частотах. Перспективные приложения для терагерцового оборудования включают направленную высокоскоростную связь и зондирование опасных материалов.

Частоты, лежащие в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, необходимы для обнаружения опасных материалов и для надёжной высокоскоростной связи, и это только пара возможных применений. Но терагерцовые волны трудно использовать, потому что обычные полупроводники не способны, ни генерировать и, ни детектировать это излучение. Вакуумные транзисторы смогли бы – извините за выражение – заполнить пустоту. Эти транзисторы смогли бы также найти своё место в новых микропроцессорах, ведь способ их изготовления полностью совместим с обычной КМОП-технологией. Но прежде, чем это случится, необходимо решить несколько проблем.

Наш прототип вакуумного транзистора работает на 10 вольтах, что на порядок выше, чем у используемых современных КМОП-чипов. Но исследователям из Питтсбургского университета удалось создать вакуумные транзисторы, работающие только при одном или двух вольтах, хотя и со значительным проигрышем в гибкости конструкции. Мы уверены, что сможем снизить напряжение нашего прибора до того же уровня, сокращая расстояние между его анодом и катодом. Кроме того, острота этих электродов определяет концентрацию электрического поля, а состав материала катода определяет, насколько сильное поле необходимо для испускания им электронов. Таким образом, мы также в состоянии снизить напряжение путём выбора конструкции электродов с более резкими оконечностями или с более подходящим химическим составом, снижающим барьер для электронов, испускаемых катодом. Это, несомненно, будет чем-то вроде балансирования, поскольку изменения, внесенные для снижения рабочего напряжения, смогут поставить под угрозу долговременную стабильность электродов и результирующее время жизни транзистора.

Следующим большим шагом для нас является компоновка большого количества вакуум-канальных транзисторов в одну интегральную схему (ИС). Для этого мы должны использовать множество существующих систем автоматизированного конструирования и моделирования, разработанных для проектирования КМОП ИС. Прежде чем мы попытаемся сделать это, мы должны будем, однако, уточнить наши компьютерные модели нового транзистора и выработать соответствующие проектные правила для трассировки большого количества соединений. И мы будем должны разработать подходящие методы герметизации приборов, заполнив их гелием с давлением в одну атмосферу. Чаще всего, эти методы в настоящее время используются для герметизации различных микроэлектромеханических датчиков, таких как акселерометры и гироскопы, поэтому смогут быть применены к транзисторам с вакуумным каналом без существенной переделки.

Правда, предстоит сделать еще большую работу, прежде чем появятся коммерческие продукты. Но когда всё это будет сделано, то новое поколение вакуумной электроники, безусловно, будет отличаться некоторыми удивительными возможностями. Ожидайте этого. Иначе, вы не сможете понять тех военных аналитиков, которые обследовали МиГ-25 в Японии еще в 1976 г. Позже они оценили, что советская вакуумная авионика смогла бы выдержать электромагнитный импульс ядерного взрыва лучше, чем любая из имеющихся в то время на самолетах Запада. Только тогда они начали понимать большую важность электровакуумных приборов.

Партийная литература

1. Jin-Woo Han, Meyya Meyyappan, «Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing» // IEEE Spectrum, 23.06.2014. http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/introducing-the-vacuum-transistor-a-device-made-of-nothing

Применение транзисторов в повседневной жизни — pnpntransistor

Здесь мы знаем о применениях транзистора в повседневной жизни. Транзистор представляет собой трехконтактный полупроводниковый прибор, и это устройство, управляемое током. Здесь мы перечисляем все применения транзистора . Транзистор в основном используется для усиления слабого электрического сигнала и полезен в схемах усиления.

Каковы применения транзисторов в повседневной жизни?

Транзистор — это полупроводниковое устройство, предназначенное для регулирования тока или напряжения питания.Его можно использовать как выключатель в электрических цепях, а также как усилитель. Итак, здесь мы разберем для вас основные области применения транзисторов.

Здесь мы перечисляем области применения транзисторов. (практическое применение транзисторов) :

1. Транзисторы используются в цифровых и аналоговых схемах в качестве переключателя.

2. Использование в устройствах усилителя сигнала

3. Сотовые телефоны будут одним из наиболее широко используемых приложений транзисторов. В каждом сотовом телефоне используется транзисторный усилитель.

4. Используется в регуляторах мощности и контроллерах

5. В современной электронике ИС используется почти во всех электронных приложениях. Транзисторы используются при создании некоторых интегральных схем (ИС).

6. Микропроцессор включает более миллиарда транзисторов в каждой микросхеме.

7. Транзисторы используются почти во всех электронных устройствах, от печей до компьютеров, от кардиостимуляторов до самолетов.

8. В калькуляторах, компьютерах, радиоприемниках, а также в слуховых телефонах каждое повседневное устройство, требующее хорошего качества звука (поскольку в схемах усиления часто используются транзисторы)

9.Военные использовали мощные радиочастотные (RF) возможности транзистора в радарах и портативных радиостанциях двусторонней связи.

10. Пары транзисторов Дарлингтона часто используются в сенсорных и светочувствительных устройствах.

11. Радиационно-стойкий транзистор часто используется в спутниковой и других аэрокосмических приложениях.

Узнав вкратце о повседневном использовании транзисторов , мы подробно рассмотрим некоторые важные применения транзисторов:

Использование транзистора в качестве переключателя:

В большинстве приложений транзисторы используются в качестве переключателя в схемах.Если электронная схема использует транзистор в качестве переключателя, то для смещения транзистора используется либо транзистор PNP, либо транзистор NPN, которые мы должны увидеть. Транзистор в основном работал в трех разных режимах,

активная область,

область насыщения,

и зона отсечения.

транзистор работает как усилитель только в активной области. Две другие рабочие области транзистора , область насыщения и область отсечки , , использовались для управления транзисторным переключателем.Транзистор работает как переключатель только в этих двух рабочих регионах.

Когда мы прикладываем напряжение к клемме базы транзистора, выполняется операция переключения. Когда напряжение (V _в > 0,7 В) приложено между выводами базы и эмиттера транзистора, тогда напряжение коллектора к эмиттеру (Vce) примерно равно 0. Таким образом, транзистор действует как короткое замыкание, и мы можем сказать. транзистор находится в состоянии ВЫКЛ. Коллекторный ток протекает через транзистор.

Аналогичным образом, когда на базу и вывод эмиттера не подается напряжение или нулевое напряжение (Vin = 0 В), тогда транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом случае коммутационная нагрузка (здесь светодиодная лампа) подключается к выходной стороне с контрольной точкой. Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь через нагрузку или светодиод на землю.

Читайте также — Применение полевого МОП-транзистора

Транзистор как усилитель:

Транзисторные схемы используются в качестве схемы усилителя.В предыдущей статье мы подробно обсудили схему транзисторного усилителя и как работает транзисторный усилитель?

Если не читали то рекомендуется прочитать — Схема транзистора как усилитель

Почему транзисторы используются в повседневной жизни?

Раньше электронные лампы использовались для тех же приложений, но после изобретения транзистора транзисторы нашли свое место почти во всех приложениях малой силовой электроники. Из-за транзистора размер ИС уменьшился.Транзистор имеет следующие краткие преимущества для использования в некоторых практических приложениях:

• Меньший размер, поэтому в устройстве требуется меньше места
• Усиление высокого напряжения
• Требуется низкое напряжение питания для работы
• Нет проблем с нагревом во время работы
• Твердотельное устройство Итак, они механически настолько сильны.
• При использовании транзистора в ИС размер производимой ИС настолько мал, что ее можно легко переносить.

Читайте также — Применение полупроводников

Резюме:

Транзистор — это основное полупроводниковое устройство, которое используется для регулирования тока и напряжения в небольших электронных схемах.Транзисторы используются во многих схемах усиления для усиления слабых сигналов. В наши дни они используются почти во всех электронных устройствах. Сотовые телефоны содержат транзисторную схему в качестве схемы усиления звука.

Транзисторы настолько малы по размеру, что размер современной ИС уменьшился, и мы получили выгоду. Они также используются в некоторых аэрокосмических приложениях. Таким образом, с одной стороны, можно сказать, что благодаря изобретению транзистора появилась современная электроника. Надеюсь, вы понимаете применение транзистора в повседневной жизни и повседневном использовании транзистора.

Если у вас есть вопросы по этой теме, не стесняйтесь задавать их в комментариях. Спасибо.

Источник изображения

— www.electronicshub.org

Проверьте некоторые из популярных статей —

Применение параллельных двигателей постоянного тока

Отсутствует заявление в школу

Продолжить чтение

Что такое транзистор, виды и применение транзисторов

Транзисторы — это электронные полупроводниковые устройства, которые можно использовать для создания переключателей с электронным управлением или усилителей сигналов.Транзистор управляет большим током в цепи, используя небольшой ток, точно так же, как огромное давление воды вырывается из крана, прикладывая небольшое усилие к ручке крана.

Рисунок 1.0. Аналогия с транзисторным водопроводным краном. Рисунок 2.0. Аналогия с водопроводным краном с полевым транзистором.

Применение малого тока базы вызывает протекание большого тока коллектора к эмиттеру, а приложение малого напряжения затвора вызывает протекание большого тока источника. Транзисторы используются в большинстве электронных схем, таких как схемы переключения, схемы усилителя, схемы генератора, схемы источника тока, схемы регулятора напряжения, схемы источника питания, микросхемы цифровой логики и почти любая схема, в которой для управления используется небольшой управляющий ток или напряжение. большие токи.

Когда транзистор сконфигурирован в схеме для работы в качестве переключателя с электронным управлением, транзистор может быть либо нормально выключенным, либо нормально включенным. Обычно ВЫКЛ означает, что транзисторный переключатель находится в состоянии ВЫКЛЮЧЕНО до тех пор, пока на него не будет подано нужное количество тока или напряжения для его включения.

Семейства транзисторов

У нас есть два основных семейства транзисторов
1. Биполярные транзисторы (BJT)
2. Полевые транзисторы (FET)

Основное различие между этими двумя семействами заключается в том, что BJT управляются током, а полевые транзисторы управляются напряжением.В случае полевого транзистора переключение может происходить при небольшом токе или его отсутствии на управляющем проводе транзистора. Поскольку для управления полевым транзистором требуется небольшой ток или его отсутствие, полевые транзисторы имеют очень высокий входной импеданс (~ 1014 Ом). Поскольку управляющий провод полевого транзистора не потребляет ток из схемы во время работы, это означает, что этот управляющий провод не влияет на работу схемы. В отличие от BJT. В случае BJT провод управления, который является базой, потребляет определенное количество тока для выполнения своей работы, и этот ток необходимо учитывать при анализе схемы.

Разница между BJT и FET

Разница между FET и BJT представлена ​​в таблице ниже

50 Легко в производстве

BJT	FET
Управляемый током	Управляемый напряжением
Потребляемый ток в разумных пределах	Потребляет мало или отсутствует ток
Не так дешево для производства	Дешевле для производства
Меньше используется при изготовлении микросхем	Больше используется при производстве микросхем
Можно сделать маленькими	Можно сделать очень маленькими
Высокая крутизна	Низкая крутизна
Высокое усиление по напряжению	Низкое усиление по напряжению
Используется больше в усилителях	Используется больше при коммутации

Некоторым транзисторам требуется отрицательное напряжение или выходной ток на их контрольном отведении (относительно одного из двух других отведений) для работы, в то время как другим требуется положительное напряжение и / или входной ток на их проводах управления.

Транзисторы с биполярным переходом

Биполярный транзистор, A.K.A BJT, представляет собой трехконтактный электронный компонент, который может усиливать сигнал или действовать как электронный переключатель. Биполярный переходной транзистор бывает в конфигурациях NPN или PNP.

Тип NPN использует небольшой входной ток или положительное напряжение, подаваемое на базу транзистора относительно эмиттера, чтобы управлять большим током, протекающим от коллектора к эмиттеру. С другой стороны, тип PNP использует небольшое выходное или отрицательное напряжение, отправляемое на базу по отношению к эмиттеру, чтобы управлять большим током, протекающим от эмиттера к коллектору.

Рисунок 3.0 Типы биполярных переходных транзисторов

Способность транзисторов с биполярным переходом управлять большим током в цепи, используя небольшой базовый ток, делает их очень полезными при проектировании электрически управляемой коммутации, такой как схемы усилителя, схемы регулятора тока и напряжения, генераторы, схемы памяти.

Как работает биполярный переходной транзистор (BJT)

Полупроводник, образующий транзистор, настроен таким образом, что подача небольшого тока на один вывод транзистора (БАЗА) вызывает протекание большого тока через два других вывода (КОЛЛЕКТОР на ЭМИТТЕР для NPN и ЭМИТТЕР на КОЛЛЕКТОР в PNP).Ниже показано, что происходит в транзисторе NPN, чтобы вызвать действие транзистора, которое вызывает переключение. Следует отметить, что то же самое происходит с PNP, только полярности и токи меняются местами.

NPN-транзистор образован помещением полупроводника p-типа между двумя полупроводниками n-типа. Помните, что в полупроводнике n-типа есть избыточные электроны, а в p-типе — избыточные дырки. В типе NPN два n-типа — это коллектор и эмиттер, а база — p-тип.Их сэндвич создает p-n-переход. Этот переход препятствует легкому прохождению электронов от первого полупроводника n-типа (коллектора) ко второму полупроводнику n-типа (эмиттер). В этой ситуации у нас будет состояние, при котором ток не течет от коллектора к эмиттеру.

Смещение транзистора

Это процесс подачи соответствующего напряжения на базу транзистора, заставляющего его войти в работу. Что делает смещение: оно разрушает обедненный слой или область p-n-перехода, тем самым позволяя электронам свободно перемещаться между коллектором и эмиттером.

Метод смещения NPN-транзистора отличается от метода смещения PNP-транзистора.

Для смещения NPN-транзистора на базу транзистора подается положительное напряжение. Обычно в NPN-транзисторе электроны на коллекторе или эмиттере не могут перетекать друг в друга из-за обедненного слоя, для создания толчка требуется внешняя энергия. Эта внешняя энергия приходит в виде положительного напряжения. Для NPN-транзистора, когда на базу подается положительное напряжение для ее смещения, это называется прямого смещения , а когда отрицательное напряжение подается на базу для смещения, это называется обратным смещением . Обратное смещение увеличивает обедненный слой, отталкивая электроны в областях n-типа полупроводниковой схемы транзистора. С другой стороны, прямое смещение заставляет электроны в полупроводниках n-типа притягиваться к положительной базе, где подается положительное напряжение смещения. По мере того, как электроны находят свой путь к базе, поскольку слой обеднения p-типа тонкий, по сравнению с областями n-типа, слой обеднения покрывается лаком, и в этот момент электроны из коллектора в конечном итоге перетекают в эмиттер.

Рисунок 4.0 Внутренние части транзистора Рисунок 5.0 Смещение транзистора NPN Рисунок 6.0 Смещение транзистора PNP

Характеристика транзистора

Транзистор (в данном случае BJT) — это специальный электронный компонент, который позволяет вам управлять током в одной точке цепи, изменяя ток в другой точке цепи.
Ток возбуждения называется базовым током I _B , базовый ток управляет протеканием тока коллектора I _C при определенном напряжении коллектор-эмиттер V _CE. Примерно ток коллектора эквивалентен току эмиттера.
I _C ~ I _E. При работе транзистора, смещение — это процесс подачи правильного количества тока на базу транзистора, чтобы он начал действовать.

Рисунок 7.0 Работа транзистора

Поведение и работа транзистора

Для описания работы транзистора используются три важных термина. Они показаны на характеристической кривой транзистора, показанной ниже:

Рисунок 8.0 характеристика транзистора

1. Область отсечки
2. Область насыщения
3. Активная / линейная область
4. Точка покоя, точка Q

1. Область отсечки: Это область, где базовый ток смещения очень недостаточен для возникновения тока коллектора течь, что приводит к сценарию обрыва цепи между коллектором и эмиттером. Это означает, что ток не будет течь от коллектора к эмиттеру.
2. Область насыщения: Это область, где на базе транзистора достаточно тока смещения, вызывающего протекание максимального тока коллектора.Когда в этой области работает транзистор, между коллектором и эмиттером существует замкнутая цепь. Это означает, что весь ток, который попадает на коллектор транзистора, будет течь вниз к эмиттеру.
3. Активная / линейная область: Эта область в работе транзистора является областью между областями отсечки и насыщения, где существует линейная зависимость между базовым током I _B , током коллектора I _C и ток эмиттера I _E .

Из объяснения того, что такое области отсечки и насыщения, и сказав, что активная / линейная область — это область между ними, означает, что смещение транзистора — это просто процесс манипулирования сопротивлением, которое существует в переходе между коллектором и эмиттером транзистора для создания переменного напряжения коллектор-эмиттер V _CE .

Когда транзистор находится в области отсечки, V _CE равно V _CC , но когда транзистор находится в области насыщения, V _CE равно нулю.Однако, когда транзистор находится в активной / линейной области, V _CE на некоторое значение меньше V _CC и больше нуля. Значение V _CE транзистора в разумной степени определяет, насколько хорошо сигналы усиливаются транзистором.

4. Точка покоя: Любая выбранная точка вдоль линейной / активной области, которая обеспечивает желаемое усиление сигнала для любого данного транзистора, называется точкой Q покоя.

Формула транзистора

Основная формула, используемая для описания поведения биполярного переходного транзистора: I _C = h _FE I _{B ,}

Где h _FE — коэффициент усиления по току транзистора, называемый «усиление прямого тока гибридного параметра, общий эмиттер».”Часто обозначается как β, следовательно, мы имеем, что I _C = βI _B

I _C — ток коллектора, а I _B — ток базы. Каждый BJT имеет свой уникальный h _FE , который является константой для транзистора, но может изменяться во время работы транзистора из-за изменения температуры и напряжения коллектор-эмиттер, значение может находиться в диапазоне от 50 до 500. Итак, если у нас есть транзистор с hFE, равным 200, и ток базы 2 мА течет в базу транзистора для смещения транзистора, ток коллектора будет равен I _C = 200 x 2 = 400 мА.

Я сделал видеоурок по правилам проектирования электронных схем и правилам протекания тока, вы можете посмотреть видео ниже:

как спроектировать электронную схему с нуля

Одно из этих правил состоит в том, что «ток течет из области с высоким потенциалом в область с более низким потенциалом», следовательно, ток коллектора течет от коллектора к эмиттеру, напряжение коллектора V _E должно быть выше, чем напряжение эмиттера V _E , по крайней мере, на несколько десятых вольта, в противном случае ток коллектора не будет протекать независимо от значения тока базы.

Опять же, для транзистора с барьерным напряжением 0,6 В базовое напряжение должно быть на 0,6 В больше, чем напряжение эмиттера, чтобы ток коллектора протекал. Не забывайте, что существуют ограничения на ток коллектора, который может течь в данном транзисторе, а также на напряжения.

Итак, поскольку токи коллектора и базы текут в эмиттер, мы имеем, что I _E = I _C + I _B, , однако, поскольку ток базы всегда очень мал, мы можем аппроксимировать I _E ~ Я _С .

Рисунок 9.0 Расчет транзистора

Комбинируя уравнения I _E = I _C + I _B и I _C = h _FE + I _{B ,} получаем

I _E = (h _FE + 1) I _{B для NPN.}

NB: то же самое можно сделать для PNP.

Из приведенного выше уравнения видно, что разница между I _E и I _C составляет 1 член, однако, когда значение h _FE велико, им можно пренебречь, что всегда дело.Следовательно, мы имеем I _E ~ I _C .

Опять же:

VBE = VB- VE = + 0,6 В для NPN и VBE = VB-VE = -0,6 В для NPN

Расчет напряжения коллектора

Для расчета напряжения коллектора В _C, см. Изображение ниже:

Рисунок 10.0 Расчет напряжения коллектора

мы должны принять во внимание резистор R, чтобы получить напряжение коллектора.
NB : Следует проявлять осторожность при использовании перечисленных выше формул, всегда следует проверять рабочие характеристики транзистора перед применением формул, потому что формулы дают идеалистические результаты.когда ожидаются реальные результаты, следует учитывать рабочие характеристики транзистора.

Концепция транссопротивления r _tr

Это сопротивление, которое присуще области эмиттерного перехода транзистора. Он определяется температурой и током эмиттера; формула, как показано ниже:

Транссопротивление транзистора несколько ниже 1000 Ом, поэтому в некоторых конструкциях им можно пренебречь, однако в некоторых случаях именно сопротивление является основным фактором в работе транзистора, в таких ситуациях очень разумное внимание уделяется. отдано транс-сопротивлению.

Расчет параметров транзистора

Я надеюсь, что вы многому научились из этого урока, в следующем уроке мы обсудим применение транзисторов в проектировании электронных схем. А пока посмотрите эти видеоуроки:

Биполярный переходной транзистор (BJT) в качестве переключателя | Биполярные переходные транзисторы

Транзисторы с биполярным переходом (также известные как BJT) могут использоваться как усилитель , фильтр, выпрямитель, генератор или даже переключатель, , пример которого мы рассмотрим в первом разделе.Транзистор будет работать как усилитель или другая линейная схема, если транзистор смещен в линейную область. Транзистор можно использовать в качестве переключателя, если он смещен в областях насыщения и отсечки. Это позволяет току течь (или нет) в других частях цепи.

Поскольку ток коллектора транзистора пропорционально ограничен его базовым током, его можно использовать как своего рода переключатель с управлением по току. Относительно небольшой поток электронов, проходящий через базу транзистора, может контролировать гораздо больший поток электронов через коллектор.

Использование BJT в качестве переключателя: пример

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотим включать и выключать выключателем. Такая схема была бы чрезвычайно простой, как на рисунке ниже (а).

Для иллюстрации давайте вставим транзистор вместо переключателя, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером.

Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, мы должны расположить коллектор и эмиттер нашего транзистора там, где были два контакта переключателя.Мы также должны убедиться, что ток лампы будет перемещаться на против в направлении символа стрелки эмиттера, чтобы гарантировать, что смещение перехода транзистора будет правильным, как на рисунке ниже (b).

(а) механический переключатель, (б) транзисторный переключатель NPN, (в) транзисторный переключатель PNP.

Для работы также можно было выбрать транзистор PNP. Его применение показано на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP действительно произвольный.Все, что имеет значение, — это поддержание правильного направления тока для правильного смещения перехода (поток электронов идет против стрелки символа транзистора).

На приведенных выше рисунках база любого BJT не подключена к подходящему напряжению, и ток не течет через базу. Следовательно, транзистор не может включиться. Возможно, проще всего было бы подключить переключатель между базовым и коллекторным проводами транзистора, как показано на рисунке (а) ниже.

Транзистор: а — отсечка, лампа выключена; (б) насыщенный, лампа включена. Отсечка

против насыщенных транзисторов

Если переключатель разомкнут, как показано на рисунке (а), базовый провод транзистора останется «плавающим» (ни к чему не подключен), и ток через него не будет проходить. В этом состоянии транзистор имеет отсечку .

Если переключатель замкнут, как показано на рисунке (b), ток сможет течь от базы к эмиттеру транзистора через переключатель.Этот базовый ток позволит протекать гораздо большему току от коллектора к эмиттеру, таким образом зажигая лампу. В этом состоянии максимального тока цепи транзистор считается насыщенным .

Конечно, использование транзистора в этом качестве для управления лампой может показаться бессмысленным. Вместо транзистора для этой функции будет достаточно обычного переключателя.

Зачем использовать транзистор для управления током?

Здесь можно отметить два момента.Во-первых, это тот факт, что при использовании таким образом переключающим контактам необходимо обрабатывать только тот небольшой базовый ток, который необходим для включения транзистора; сам транзистор обрабатывает большую часть тока лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель имеет низкий номинальный ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно сильноточной нагрузкой.

Что еще более важно, управление током транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения или выключения лампы.Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1 В, чтобы преодолеть напряжение 0,7 В база-эмиттер транзистора, чтобы вызвать ток базы, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит датчиком освещенности.

Или мы могли бы использовать термопару (многие из которых соединены последовательно), чтобы обеспечить необходимый базовый ток для включения транзистора на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает менее 40 мВ.Многие подключенные последовательно могут производить транзистор V _BE с напряжением более 0,7 В, чтобы вызвать ток базы и, как следствие, ток коллектора к лампе.

Даже микрофон (см. Рисунок ниже) с достаточным выходом напряжения и тока (от усилителя) мог бы включить транзистор, при условии, что его выход выпрямляется из переменного тока в постоянный, так что PN-переход эмиттер-база внутри транзистора всегда будет смещенный вперед:

Усиленный микрофонный сигнал выпрямляется до постоянного тока для смещения базы транзистора, обеспечивая больший ток коллектора.

К настоящему моменту суть должна быть очевидна. Для включения транзистора можно использовать любой достаточный источник постоянного тока, и этот источник тока должен составлять лишь часть тока, необходимого для включения лампы.

Здесь мы видим, что транзистор работает не только как переключатель, но и как усилитель t rue: с использованием относительно маломощного сигнала для управления относительно большим количеством мощности. Обратите внимание, что фактическая мощность для зажигания лампы исходит от батареи, расположенной справа от схемы.Это не значит, что слабый сигнальный ток от солнечного элемента, термопары или микрофона волшебным образом преобразуется в большее количество энергии. Скорее, эти небольшие источники энергии просто контролируют мощность батареи, чтобы зажечь лампу.

BJT as Switch ОБЗОР:

• Транзисторы могут использоваться в качестве переключающих элементов для управления мощностью постоянного тока нагрузки. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
• Когда транзистор пропускает через него нулевой ток, говорят, что он находится в состоянии отсечки (полностью непроводящий).
• Когда через транзистор проходит максимальный ток, говорят, что он находится в состоянии насыщения (полностью проводящий).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Какая польза от транзисторов в электронике?

Какая польза от транзисторов в электронике?

Транзисторы:

1. Транзистор представляет собой электронное устройство, которое имеет три вывода, обозначенные как база , коллектор и эмиттер .
2. Это твердотельное электронное устройство, которое выполняет множество функций, таких как переключатель, усилитель, стабилизатор напряжения и модулятор сигнала.
3. Транзисторы сделаны путем соединения полупроводников n-типа и полупроводников p-типа вместе.

Типы и обозначения транзисторов

1. Существует два типа транзисторов: npn-транзистор и pnp-транзистор.
2. npn-транзистор состоит из слоя полупроводника p-типа, зажатого между двумя слоями полупроводников n-типа.В npn-транзисторе и коллектор, и эмиттер являются полупроводниками n-типа, а база — полупроводником p-типа.
   
3. A pnp-транзистор состоит из тонкого слоя полупроводника n-типа, зажатого между двумя слоями полупроводников p-типа. В pnp-транзисторе и коллектор, и эмиттер являются полупроводниками p-типа, а база — полупроводником n-типа.
   
4. На рисунке показаны символы для двух типов транзисторов, транзистора npn и транзистора pnp.
   
5. Стрелка в каждом символе обозначает направление обычного тока. В транзисторе npn ток течет от C к E, тогда как в транзисторе pnp ток течет от E к C.

Люди также спрашивают

Какова основная функция транзистора?

1. Транзистор не может работать, если к батарее подключены только выводы коллектора и эмиттера. Говорят, что транзистор выключен.На рисунке видно, что когда транзистор выключен, ток не может течь через него, поэтому лампочка не загорается.
   
2. Если к базе подключена небольшая батарея, как показано на рисунке, для прямого смещения перехода база-эмиттер через базу может протекать небольшой ток. Это включает транзистор. Транзистор проводит и позволяет большему току коллектора течь через него от коллектора к эмиттеру. Следовательно, лампочка загорается.
   
3. Поведение транзистора, показанного на рисунке выше, можно резюмировать следующим образом:
   (a) Если в цепи база-эмиттер есть небольшой ток, транзистор включается и проводит электричество.
   (b) Небольшой ток в цепи база-эмиттер позволяет большему току течь в цепи коллектор-эмиттер.
4. Эти две характеристики показывают, что транзистор может использоваться как усилитель тока и переключатель управления.

Как транзистор работает как усилитель?

Транзистор как усилитель тока:

1. Электронное оборудование, показанное на рисунке, состоит из схем усилителя, состоящих из транзисторов.Функция схемы усилителя заключается в усилении небольшого постоянного тока или переменного тока. напряжение (сигнал).
   
2. Транзистор работает как усилитель тока, позволяя небольшому току управлять большим током. Величина тока коллектора I _C в первую очередь определяется базовым током I _B .
3. На рисунке показана простая схема усилителя, используемая для демонстрации усиления тока путем измерения I _B и I _C .
   
4. Переменный резистор R используется для управления током эмиттера базы I _B .Ток коллектора на выходе I _C измеряется миллиамперметром.
5. Типичный график зависимости I _C от I _B , показанный на рисунке, можно использовать для получения коэффициента усиления по току для транзистора, используемого в схеме. Обратите внимание, что небольшое изменение тока базы приведет к большому изменению тока коллектора.
   
6. Коэффициент усиления по току или коэффициент усиления по току можно рассчитать по графику как:
   

Транзистор работает как усилитель Эксперимент

Цель: Показать транзистор, действующий как усилитель тока.
Материалы: Транзистор, резисторы 2,2 кОм, 3,9 кОм, 4,7 кОм, 6,8 кОм, 8,2 кОм и 10,0 кОм, соединительные провода, сухие элементы
Аппаратура: Миллиамперметры с диапазоном 0–1 мА и 0–100 мА
Осторожно: Убедитесь, что выводы транзистора подключены правильно, чтобы не повредить транзистор.
Метод:

1. Электрическая схема устроена, как показано на рисунке.
2. Выключатель S ₁ , замкнут. Регистрируются показания базового тока I _b миллиамперметра A ₁ и тока коллектора I _c миллиамперметра A ₂ .
3. Этап 2 повторяется с выключателем S ₁ в разомкнутом состоянии и переключателем S ₂ в замкнутом состоянии. Показания амперметров записываются.
4. Оба переключателя S ₁ и S ₂ замкнуты. Показания амперметров записываются.
5. Шаг 4 повторяется путем замены резистора 10,0 кОм в базовой цепи на резисторы 8,2 кОм, 6,8 кОм, 4,7 кОм, 3,9 кОм и 2,2 кОм. Все показания записываются.
6. Построен график зависимости I _c от I _b .

Результаты:

1. S ₁ закрыто, S ₂ открыто:
   I _b = 0,08 мА, I _c = 0 мА
2. S ₁ открыт, S ₂ закрыт:
   I _b = 0 мА, I _c = 0 мА
3. Оба S ₁ и S ₂ закрыты:
   
4. На рисунке показан график зависимости I _c от I _b .
   

Обсуждение:

1. Когда переключатель S ₁ замкнут, миллиамперметр A ₁ дает ненулевое показание для I _b .Между тем миллиамперметр A ₂ дает показание для I _c , которое равно нулю. Таким образом, можно сделать вывод, что ток течет только в цепи базы.
2. Когда переключатель S ₁ разомкнут, а переключатель S ₂ замкнут, оба миллиамперметра A ₁ и A ₂ дают нулевое показание. Таким образом, можно сделать вывод, что ток как в базовой, так и в коллекторной цепях отсутствует.
3. Когда ток базы I _b увеличивается, ток коллектора I _c увеличивается.
4. Градиент графика представляет усиление тока.
   
5. Транзистор усиливает ток, увеличивая ток коллектора, если ток базы увеличивается. Небольшое увеличение базового тока I _b приводит к большому увеличению тока коллектора, I _c .

Делитель потенциала

1. Как упоминалось ранее, если в цепи база-эмиттер есть небольшой ток, транзистор включается и проводит электричество.
2. Следовательно, транзистор можно включать или выключать, изменяя напряжение, подаваемое на вывод базы.
3. Это можно сделать, подключив последовательно два резистора к основной батарее. Это называется делителем потенциала .
4. Делитель потенциала в транзисторной схеме показан на рисунке.
   
5. Напряжения можно рассчитать как:
   

Численные задачи и решения транзисторов

1. На рисунке показан график зависимости I _c от I _b .
   
   Рассчитать текущий коэффициент усиления.
   Решение:
   
2. На рисунке показана транзисторная схема.
   
   (a) Какова функция двух резисторов?
   (b) Найдите напряжение на базе транзистора.
   (c) Найдите текущий коэффициент усиления.
   Решение:
   
   

Транзисторы 101: подробное описание транзисторов

Транзисторы — один из наиболее часто используемых элементов в электронных схемах.Их простота использования и простой принцип работы — вот что делает их популярными среди разработчиков электроники. В основном они выполняют две функции: переключение и усиление. Вам просто нужно несколько вычислений, чтобы внедрить это трехногий прибор в ваш следующий проект и дать ему возможность правильно работать. Итак, давайте подробно рассмотрим транзисторы и посмотрим, как вы можете использовать их в своем предстоящем электронном проекте. К концу этого сообщения в блоге у вас будет четкое представление о внутренней структуре транзистора, его различных типах и способах их включения в электронные схемы.

Насколько важны транзисторы?

Транзисторы используются почти во всех электронных схемах. Более того, они используются в интегральных схемах (IC), логических вентилях (AND, OR, NOT, XOR и т. Д.) И многих других электронных компонентах. В среднем ИС содержит 42 миллиона транзисторов, а iPhone 11 — 8,5 миллиардов транзисторов.

Как выглядит внутренняя структура транзистора?

Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала, такого как кремний, германий и др.Добавление примесей в полупроводниковые пластины позволяет производителям транзисторов создавать области n-типа и p-типа. Этот процесс называется допингом.

Легирование позволяет полупроводниковой пластине, такой как кремний, разделяться на две области; n-тип и p-тип. Что это за регионы и чем они отличаются? Количество положительных и отрицательных зарядов, присутствующих в этой области, — вот что их отличает. Отрицательно заряженные частицы называются электронами, а положительно заряженные области называются дырками, потому что отсутствие электрона создает «дырку».В области n-типа основными носителями являются электроны, а в области p-типа основными носителями являются дырки.

Транзистор состоит из области p-типа между двумя областями n-типа, и наоборот. NPN и PNP — это два типа транзисторов, в зависимости от их внутренней структуры. Три вывода транзистора берут начало от каждой из трех легированных областей, находящихся внутри него. Средняя зона — это базовая клемма, а две другие — эмиттерная и коллекторная.

Как работают транзисторы?

Транзисторы работают как усилители или переключатели. При работе в качестве усилителя транзистор принимает небольшой входной ток и усиливает его, чтобы получить больший выходной ток. С другой стороны, при работе в качестве переключателя низкий входной ток на входной клемме включается и вызывает больший ток на выходной клемме. Обе конфигурации транзисторов выгодны, что делает их очень популярными в проектировании электронных схем.

Если мы подключим отрицательную клемму батареи к области n-типа (эмиттер), а положительную клемму к базе (область p-типа), ток будет течь от базы к эмиттеру. Точно так же, если мы поместим коллектор (область n-типа) на более высокий положительный потенциал, чем база и эмиттер, ток эмиттера будет генерироваться и течь к коллектору. Ток коллектор-эмиттер I _CE регулируется напряжением базы.

Режимы переключения и усиления достигаются за счет обеспечения правильного напряжения базы, коллектора и эмиттера. Давайте рассмотрим некоторые основные схемы транзисторов, чтобы понять, как происходит усиление и переключение.

Конфигурации транзисторов

Существует три основных конфигурации транзисторов, которые широко используются в проектировании электронных схем:

• Общий эмиттер
  Конфигурация с общим эмиттером работает как усилитель, а также как переключатель.Входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал измеряется на клемме коллектора. Эмиттер является общим как для входных, так и для выходных клемм, поскольку входной сигнал подается на клеммы база-эмиттер, а выходной сигнал собирается на клеммах коллектора и эмиттера. На схеме ниже показано, как можно построить схему усилителя с общим эмиттером. В этих примерах схем мы рассматриваем NPN-транзисторы.

• Общий коллектор
  В этой конфигурации входной сигнал подается на базу, а выходной — с клеммы эмиттера.Коллектор является общим как для входных, так и для выходных клемм; вам необходимо заземлить эту клемму при построении вашей схемы с общим коллектором. Эта конфигурация в основном используется в качестве схемы буфера напряжения, переключателя и схемы согласования импеданса. На схеме ниже показана базовая реализация схемы с общим коллектором.

• Общая база
  Как вы, возможно, уже догадались, клемма базы является общей для входных и выходных сигналов.Эмиттер действует как входная клемма, а выходной сигнал генерируется на коллекторе. Базовая клемма заземлена так, что она является общей для обеих других клемм. Конфигурация с общей базой в основном используется для согласования импеданса. На схеме ниже показано, как можно реализовать схему усилителя с общей базой.

Среди трех конфигураций транзисторов наиболее популярной является конфигурация с общим эмиттером. Это в основном из-за его усиления по напряжению, которого достаточно для большинства транзисторных приложений по сравнению с коэффициентом усиления двух других конфигураций.

Транзистор как переключатель

Переключатель — это электронный компонент, который позволяет подключать или разрывать соединение в цепи. Разрыв соединения называется разомкнутой цепью (ВЫКЛ), в то время как замкнутая цепь (ВКЛ) — когда соединение установлено. Самым популярным применением транзисторов является их использование в качестве переключателя. Как работают три вывода транзистора, когда он действует как переключатель?

Транзистор

А работает в двух режимах — насыщения и отсечки.Когда он работает как переключатель, он отключается, когда находится в режиме отсечки, поскольку через него не течет ток коллектора, и он включается при работе в режиме насыщения. Ток коллектора генерируется при наличии входного сигнала на базе; это когда транзистор включен. Когда нет входного сигнала, транзистор переходит в режим отсечки и выключается, при этом ток не течет через коллектор.

Вот базовая схема, в которой транзистор NPN работает как переключатель.На базу подается входное напряжение. Вы должны иметь в виду, что кремниевым устройствам с p-n переходом для работы требуется напряжение выше 0,7 В. Следовательно, для включения транзистора напряжение база-эмиттер (V _BE ) должно быть выше 0,7 В. Резистор на входе определяет величину напряжения на базе.

Когда V _BE больше 0,7 В, переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении, что приводит к максимальному току коллектора.Это когда ваш транзистор находится в режиме насыщения и действует как замкнутая цепь. В результате загорится светодиод на выходе.

Аналогично, когда вход заземлен, напряжение база-эмиттер будет меньше 0,7 В, что приведет к обратному смещению на переходах база-эмиттер и база-коллектор. Следовательно, через коллектор не будет протекать ток, и транзистор будет в режиме отсечки, что приведет к выключению выходного светодиода.

Применение транзистора: Осциллятор

Очень распространенной электронной схемой является генератор, используемый в различных приложениях, таких как светодиоды, обработка сигналов и тактовые генераторы микроконтроллера.Используя пару транзисторов, мы можем быстро построить схему генератора, как показано на схеме ниже.

Конденсаторы, присутствующие в цепи генератора, играют наиболее важную роль. Когда один конденсатор заряжается, он включает транзистор до его разрядки. Между тем, второй конденсатор заряжается и включает второй транзистор, когда первый выключается. Это генерирует осциллирующий импульс, поскольку транзисторы соединены в виде зеркала с противоположной полярностью.

Вы можете изменить частоту колебаний, изменив номиналы конденсатора и резистора в соответствии с вашими потребностями. Все, что вам нужно, это пара транзисторов, пара конденсаторов и несколько резисторов для построения многоцелевой схемы генератора.

Хотите узнать ТЗ? Изучите возможности электроники Fusion 360, включая ТЗ и ТЗ, загрузив бесплатную пробную версию.

Autodesk Fusion 360 предлагает множество инструментов для инженеров, включая трехмерное проектирование печатных плат, исчерпывающие наборы данных и многое другое.Чего ты ждешь? Начните свой следующий электронный проект в Fusion 360 уже сегодня.

Транзисторы

— обзор | Темы ScienceDirect

Практические транзисторы

Транзистор — это крошечный объект на небольшом кристалле кремния (редко германия). Чтобы было удобно работать с транзистором, его устанавливают в корпус или герметизируют в блоке из пластика с тонкими проводами, соединяющими базу, эмиттер и коллектор с более толстыми клеммными проводами.На заглавной фотографии этой главы показаны типичные корпуса, используемые для маломощных транзисторов. Это два стандартных пакета, используемых для транзисторов JFET, MOSFET и BJT.

Изменяя количество легирования, метод легирования и геометрию областей, можно изготавливать транзисторы с различными характеристиками. Некоторые из них имеют гораздо более высокое усиление, чем другие (до 800 раз), или могут подходить для работы с большими токами. В типичных транзисторах общего назначения максимальный ток коллектора составляет всего несколько сотен миллиампер.

Силовые транзисторы способны выдерживать токи коллектора до 90 А. Силовой транзистор имеет прочную конструкцию с каналами с низким сопротивлением, чтобы минимизировать падение напряжения на нем. Он также имеет прочную металлическую бирку или корпус для крепления к радиатору.

Радиочастотные транзисторы разработаны специально для работы на частотах от нескольких сотен мегагерц, а некоторые до 5 ГГц. На высоких частотах емкость между базой и эмиттером BJT может уменьшать амплитуду сигнала, поэтому радиочастотные транзисторы предназначены для минимизации этого эффекта.Транзистор, предназначенный для работы на радиочастотах, может использоваться в схемах, отличных от радиопередатчиков и приемников. Многие другие устройства, такие как компьютеры, мобильные телефоны, цифровые камеры и проигрыватели компакт-дисков, работают на радиочастотах, и для них также требуются высокочастотные транзисторы. Такие устройства являются цифровыми, а не аналоговыми, и основная функция транзисторов — это высокая скорость переключения. Как объясняется в следующей главе, затвор или база транзистора смещаются и готовы к работе путем подключения его через резистор к положительным линиям питания.Во время производства нет проблем (и почти без дополнительных затрат) в установке резисторов смещения на той же микросхеме, что и транзистор. Это упрощает компоновку печатной платы и снижает стоимость отдельных резисторов. Цифровые транзисторы с резисторами в комплекте часто используются для переключения в цифровых схемах.

Большинство транзисторов доступны также как транзисторы для поверхностного монтажа. Типичный корпус размером всего 3,0 мм × 1,5 мм показан вверху по центру на фотографии на странице 166.

Как работают электронные компоненты

Электронные гаджеты стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они сделали нашу жизнь комфортнее и удобнее. Электронные гаджеты находят широкое применение в современном мире, от авиации до медицины и здравоохранения. Фактически, революция в электронике и революция в компьютерах идут рука об руку.

Большинство гаджетов имеют крошечные электронные схемы, которые могут управлять машинами и обрабатывать информацию.Проще говоря, электронные схемы — это линия жизни различных электроприборов. В этом руководстве подробно рассказывается об общих электронных компонентах, используемых в электронных схемах, и о том, как они работают.

В этой статье я дам обзор электронных схем. Затем я предоставлю дополнительную информацию о 7 различных типах компонентов. Для каждого типа я буду обсуждать состав, принцип работы, а также функцию и значение компонента.

1. Конденсатор
2. Резистор
3. Диод
4. Транзистор
5. Индуктор
6. Реле
7. Кристалл кварца

---

Обзор электронной схемы

Электронная схема — это структура, которая направляет и управляет электрическим током для выполнения различных функций, включая усиление сигнала, вычисление и передачу данных.Он состоит из нескольких различных компонентов, таких как резисторы, транзисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и диоды. Проводящие провода или дорожки используются для соединения компонентов друг с другом. Однако цепь считается завершенной, только если она начинается и заканчивается в одной и той же точке, образуя цикл.

---

Элементы электронной схемы

Сложность и количество компонентов в электронной схеме может изменяться в зависимости от ее применения. Однако простейшая схема состоит из трех элементов, включая токопроводящую дорожку, источник напряжения и нагрузку.

Элемент 1: токопроводящий путь

Электрический ток течет по токопроводящей дорожке. Хотя медные провода используются в простых цепях, они быстро заменяются токопроводящими дорожками. Проводящие дорожки — это не что иное, как медные листы, наклеенные на непроводящую основу. Они часто используются в небольших и сложных схемах, таких как печатные платы (PCB).

Элемент 2: Источник напряжения

Основная функция цепи — обеспечить безопасное прохождение электрического тока через нее.Итак, первый ключевой элемент — это источник напряжения. Это двухконтактное устройство, такое как аккумулятор, генераторы или энергосистемы, которые обеспечивают разность потенциалов (напряжение) между двумя точками в цепи, так что ток может течь через них.

Элемент 3: Нагрузка

Нагрузка — это элемент в цепи, который потребляет мощность для выполнения определенной функции. Лампочка — простейшая нагрузка. Однако сложные схемы имеют разные нагрузки, такие как резисторы, конденсаторы, транзисторы и транзисторы.

---

Факты об электронных схемах

Факт 1: Обрыв цепи

Как упоминалось ранее, цепь всегда должна образовывать петлю, чтобы через нее протекал ток. Однако, когда дело доходит до разомкнутой цепи, ток не может течь, поскольку один или несколько компонентов отключены намеренно (с помощью переключателя) или случайно (сломанные части). Другими словами, любая цепь, не образующая петли, является разомкнутой.

Факт 2: Замкнутый контур

Замкнутый контур — это контур, который образует контур без каких-либо прерываний.Таким образом, это полная противоположность разомкнутой цепи. Однако полная цепь, которая не выполняет никаких функций, остается замкнутой цепью. Например, цепь, подключенная к разряженной батарее, может не работать, но это все равно замкнутая цепь.

Факт 3: Короткое замыкание

В случае короткого замыкания между двумя точками электрической цепи образуется соединение с низким сопротивлением. В результате ток имеет тенденцию течь через это вновь образованное соединение, а не по намеченному пути.Например, если есть прямое соединение между отрицательной и положительной клеммами батареи, ток будет проходить через нее, а не через цепь.

Однако короткое замыкание обычно приводит к серьезным несчастным случаям, так как ток может протекать на опасно высоких уровнях. Следовательно, короткое замыкание может повредить электронное оборудование, вызвать взрыв батарей и даже вызвать пожар в коммерческих и жилых зданиях.

Факт 4: Печатные платы (PCB)

Для большинства электронных устройств требуются сложные электронные схемы.Вот почему разработчикам приходится размещать крошечные электронные компоненты на печатной плате. Он состоит из пластиковой платы с соединительными медными дорожками с одной стороны и множества отверстий для крепления компонентов. Когда макет печатной платы наносится химическим способом на пластиковую плату, она называется печатной платой или печатной платой.

Рисунок 1: Печатная плата . [Источник изображения]

Факт 5: Интегральные схемы (ИС)

Хотя печатные платы могут предложить множество преимуществ, для большинства современных приборов, таких как компьютеры и мобильные телефоны, требуются сложные схемы, состоящие из тысяч и даже миллионов компонентов.Вот тут-то и пригодятся интегральные схемы. Это крошечные электронные схемы, которые могут поместиться внутри небольшого кремниевого чипа. Джек Килби изобрел первую интегральную схему в 1958 году в компании Texas Instruments. Единственная цель ИС — повысить эффективность электронных устройств при уменьшении их размера и стоимости производства. С годами интегральные схемы становились все более сложными по мере развития технологий. Вот почему персональные компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны и другая бытовая электроника с каждым днем ​​становятся все дешевле и лучше.

Рисунок 2: интегральных схем. [Источник изображения]

---

Электронные компоненты

Благодаря современным технологиям, процесс сборки электронных схем был полностью автоматизирован, особенно это касается изготовления микросхем и печатных плат. Количество и расположение компонентов в схеме может варьироваться в зависимости от ее сложности. Однако он построен с использованием небольшого количества стандартных компонентов.

Следующие компоненты используются для создания электронных схем.

---

Компонент 1: Конденсатор

Конденсаторы

широко используются для построения различных типов электронных схем.Конденсатор — это пассивный двухконтактный электрический компонент, который может электростатически накапливать энергию в электрическом поле. Проще говоря, он работает как небольшая аккумуляторная батарея, накапливающая электричество. Однако, в отличие от аккумулятора, он может заряжаться и разряжаться за доли секунды.

Рисунок 3: Конденсаторы [Источник изображения]

A. Состав Конденсаторы

бывают всех форм и размеров, но обычно они состоят из одинаковых основных компонентов. Между ними уложены два электрических проводника или пластины, разделенные диэлектриком или изолятором.Пластины состоят из проводящего материала, такого как тонкие пленки из металла или алюминиевой фольги. С другой стороны, диэлектрик — это непроводящий материал, такой как стекло, керамика, пластиковая пленка, воздух, бумага или слюда. Вы можете вставить два электрических соединения, выступающих из пластин, чтобы зафиксировать конденсатор в цепи.

B. Как это работает?

Когда вы прикладываете напряжение к двум пластинам или подключаете их к источнику, на изоляторе возникает электрическое поле, в результате чего на одной пластине накапливается положительный заряд, а на другой накапливается отрицательный заряд.Конденсатор продолжает сохранять заряд, даже если вы отключите его от источника. В тот момент, когда вы подключаете его к нагрузке, накопленная энергия перетекает от конденсатора к нагрузке.

Емкость — это количество энергии, хранящейся в конденсаторе. Чем выше емкость, тем больше энергии он может хранить. Увеличить емкость можно, сдвинув пластины ближе друг к другу или увеличив их размер. В качестве альтернативы вы также можете улучшить изоляционные качества, чтобы увеличить емкость.

C. Функция и значение

Хотя конденсаторы выглядят как батареи, они могут выполнять в цепи различные типы функций, например, блокировать постоянный ток, позволяя проходить переменному току, или сглаживать выходной сигнал от источника питания. Они также используются в системах передачи электроэнергии для стабилизации напряжения и потока мощности. Одной из наиболее важных функций конденсатора в системах переменного тока является коррекция коэффициента мощности, без которой вы не сможете обеспечить достаточный пусковой момент для однофазных двигателей.

Фильтры для конденсаторов

Если вы используете микроконтроллер в цепи для запуска определенной программы, вы не хотите, чтобы его напряжение упало, поскольку это приведет к сбросу контроллера. Вот почему дизайнеры используют конденсатор. Он может обеспечить микроконтроллер необходимой мощностью на долю секунды, чтобы избежать перезапуска. Другими словами, он отфильтровывает шумы в линии питания и стабилизирует источник питания.

Применения удерживающего конденсатора

В отличие от батареи, конденсатор быстро разряжается.Вот почему он используется для кратковременного питания цепи. Батареи вашей камеры заряжают конденсатор, прикрепленный к вспышке. Когда вы делаете снимок со вспышкой, конденсатор высвобождает свой заряд за доли секунды, генерируя вспышку света.

Применение конденсатора таймера

В резонансной или зависящей от времени схеме конденсаторы используются вместе с резистором или катушкой индуктивности в качестве элемента синхронизации. Время, необходимое для зарядки и разрядки конденсатора, определяет работу схемы.

---

Компонент 2: резистор

Резистор — это пассивное двухконтактное электрическое устройство, которое препятствует прохождению тока. Это, наверное, самый простой элемент в электронной схеме. Это также один из наиболее распространенных компонентов, поскольку сопротивление является неотъемлемым элементом почти всех электронных схем. Обычно они имеют цветовую маркировку.

Рисунок 4: Резисторы [Источник изображения]

A. Состав

Резистор — это совсем не модное устройство, потому что сопротивление — это естественное свойство, которым обладают почти все проводники.Итак, конденсатор состоит из медной проволоки, обернутой вокруг изоляционного материала, такого как керамический стержень. Количество витков и толщина медной проволоки прямо пропорциональны сопротивлению. Чем больше количество витков и чем тоньше провод, тем выше сопротивление.

Также можно встретить резисторы, изготовленные по спирали из углеродной пленки. Отсюда и название резисторы с углеродной пленкой. Они предназначены для схем с низким энергопотреблением, потому что резисторы с углеродной пленкой не так точны, как их аналоги с проволочной обмоткой.Однако они дешевле проводных резисторов. К обоим концам прикреплены клеммы проводов. Поскольку резисторы не учитывают полярность в цепи, ток может протекать в любом направлении. Таким образом, не нужно беспокоиться о том, чтобы прикрепить их вперед или назад.

B. Как это работает?

Резистор может показаться не очень большим. Можно подумать, что он ничего не делает, кроме как потребляет энергию. Однако он выполняет жизненно важную функцию: контролирует напряжение и ток в вашей цепи.Другими словами, резисторы дают вам контроль над конструкцией вашей схемы.

Когда электрический ток начинает течь по проводу, все электроны начинают двигаться в одном направлении. Это похоже на воду, текущую по трубе. По тонкой трубе будет течь меньше воды, потому что у нее меньше места для ее движения.

Точно так же, когда ток проходит через тонкий провод в резисторе, электронам становится все труднее двигаться через него. Короче говоря, количество электронов, проходящих через резистор, уменьшается по мере увеличения длины и толщины провода.

C. Функция и значение У резисторов

есть множество применений, но три наиболее распространенных — это управление током, деление напряжения и цепи резистор-конденсатор.

Ограничение тока

Если вы не добавите резисторы в цепь, ток будет опасно высоким. Это может привести к перегреву других компонентов и их повреждению. Например, если вы подключите светодиод напрямую к батарее, он все равно будет работать.Однако через некоторое время светодиод нагреется, как огненный шар. В конечном итоге он сгорит, поскольку светодиоды менее устойчивы к нагреванию.

Но, если ввести в схему резистор, он снизит протекание тока до оптимального уровня. Таким образом, вы можете дольше держать светодиод включенным, не перегревая его.

Делительное напряжение Также используются резисторы

для понижения напряжения до нужного уровня. Иногда для определенной части схемы, такой как микроконтроллер, может потребоваться более низкое напряжение, чем для самой схемы.Здесь на помощь приходит резистор.

Допустим, ваша схема работает от аккумулятора 12 В. Однако для микроконтроллера требуется только питание 6 В. Итак, чтобы разделить напряжение пополам, все, что вам нужно сделать, это подключить последовательно два резистора с равным сопротивлением. Проволока между двумя резисторами снизит наполовину напряжение вашей цепи, к которой может быть подключен микроконтроллер. Используя соответствующие резисторы, вы можете снизить напряжение в цепи до любого уровня.

Резисторно-конденсаторные цепи Резисторы

также используются в сочетании с конденсаторами для создания интегральных схем, содержащих массивы резистор-конденсатор в одной микросхеме.Их также называют RC-фильтрами или RC-сетями. Они часто используются для подавления электромагнитных помех (EMI) или радиочастотных помех (RFI) в различных инструментах, включая порты ввода / вывода компьютеров и ноутбуков, локальные сети (LAN) и глобальные сети (WAN), среди прочего. Они также используются в станках, распределительных устройствах, контроллерах двигателей, автоматизированном оборудовании, промышленных приборах, лифтах и ​​эскалаторах.

---

Компонент 3: Диод

Диод — это устройство с двумя выводами, которое позволяет электрическому току течь только в одном направлении.Таким образом, это электронный эквивалент обратного клапана или улицы с односторонним движением. Он обычно используется для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Он изготовлен либо из полупроводникового материала (полупроводниковый диод), либо из вакуумной трубки (вакуумный ламповый диод). Однако сегодня большинство диодов изготавливается из полупроводникового материала, особенно из кремния.

Рисунок 5: Диод [Источник изображения]

A. Состав

Как упоминалось ранее, существует два типа диодов: вакуумные диоды и полупроводниковые диоды.Вакуумный диод состоит из двух электродов (катода и анода), помещенных внутри герметичной вакуумной стеклянной трубки. Полупроводниковый диод состоит из полупроводников p-типа и n-типа. Поэтому он известен как диод с p-n переходом. Обычно он изготавливается из кремния, но также можно использовать германий или селен.

B. Как это работает?

Вакуумный диод

Когда катод нагревается нитью накала, в вакууме образуется невидимое облако электронов, называемое пространственным зарядом.Хотя электроны испускаются катодом, отрицательный объемный заряд отталкивает их. Поскольку электроны не могут достичь анода, через цепь не протекает ток. Однако, когда анод становится положительным, объемный заряд исчезает. В результате ток начинает течь от катода к аноду. Таким образом, электрический ток внутри диода течет только от катода к аноду и никогда от анода к катоду.

P-N переходной диод

Диод с p-n переходом состоит из кремниевых полупроводников p-типа и n-типа.Полупроводник p-типа обычно легируется бором, оставляя в нем дырки (положительный заряд). С другой стороны, полупроводник n-типа легирован сурьмой, добавляя в него несколько дополнительных электронов (отрицательный заряд). Таким образом, электрический ток может протекать через оба полупроводника.

Когда вы складываете блоки p-типа и n-типа вместе, дополнительные электроны n-типа объединяются с дырками p-типа, создавая зону обеднения без каких-либо свободных электронов или дырок. Короче, ток через диод больше не может проходить.

Когда вы подключаете отрицательную клемму батареи к кремнию n-типа, а положительную клемму к p-типу (прямое смещение), ток начинает течь, поскольку электроны и дырки теперь могут перемещаться по переходу. Однако, если вы перевернете клеммы (обратное смещение), ток через диод не будет протекать, потому что дырки и электроны отталкиваются друг от друга, расширяя зону истощения. Таким образом, как и вакуумный диод, переходной диод может пропускать ток только в одном направлении.

С.Функция и значение

Хотя диоды являются одними из простейших компонентов электронной схемы, они находят уникальное применение в различных отраслях промышленности.

Преобразование переменного тока в постоянный

Наиболее распространенным и важным применением диодов является преобразование переменного тока в постоянный. Обычно полуволновой (один диод) или двухполупериодный (четыре диода) выпрямитель используется для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока, особенно в бытовых источниках питания. Когда вы пропускаете источник питания переменного тока через диод, через него проходит только половина формы волны переменного тока.Поскольку этот импульс напряжения используется для зарядки конденсатора, он создает устойчивые и непрерывные постоянные токи без каких-либо пульсаций. Различные комбинации диодов и конденсаторов также используются для создания различных типов умножителей напряжения для умножения небольшого переменного напряжения на высокие выходы постоянного тока.

Обходные диоды

Обходные диоды часто используются для защиты солнечных панелей. Когда ток от остальных элементов проходит через поврежденный или пыльный солнечный элемент, это вызывает перегрев.В результате общая выходная мощность снижается, создавая горячие точки. Диоды подключаются параллельно солнечным элементам, чтобы защитить их от проблемы перегрева. Эта простая конструкция ограничивает напряжение на неисправном солнечном элементе, позволяя току проходить через неповрежденные элементы во внешнюю цепь.

Защита от скачков напряжения

Когда источник питания внезапно прерывается, он создает высокое напряжение в большинстве индуктивных нагрузок.Этот неожиданный скачок напряжения может повредить нагрузку. Однако вы можете защитить дорогое оборудование, подключив диод к индуктивным нагрузкам. В зависимости от типа защиты эти диоды известны под разными названиями, включая демпферный диод, обратный диод, подавляющий диод и диод свободного хода, среди других.

Демодуляция сигнала

Они также используются в процессе модуляции сигнала, поскольку диоды могут эффективно удалять отрицательный элемент сигнала переменного тока.Диод выпрямляет несущую волну, превращая ее в постоянный ток. Звуковой сигнал извлекается из несущей волны, этот процесс называется звуковой частотной модуляцией. Вы можете слышать звук после некоторой фильтрации и усиления. Следовательно, диоды обычно используются в радиоприемниках для извлечения сигнала из несущей волны.

Защита от обратного тока

Изменение полярности источника постоянного тока или неправильное подключение батареи может привести к протеканию значительного тока через цепь.Такое обратное подключение может повредить подключенную нагрузку. Вот почему защитный диод включен последовательно с положительной стороной клеммы аккумулятора. В случае правильной полярности диод становится смещенным в прямом направлении, и ток течет по цепи. Однако в случае неправильного подключения он становится смещенным в обратном направлении, блокируя ток. Таким образом, он может защитить ваше оборудование от возможных повреждений.

---

Компонент 4: Транзистор

Один из важнейших компонентов электронной схемы, транзисторы произвели революцию в области электроники.Эти крошечные полупроводниковые устройства с тремя выводами существуют уже более пяти десятилетий. Их часто используют как усилители и переключающие устройства. Вы можете думать о них как о реле без каких-либо движущихся частей, потому что они могут включать или выключать что-либо без какого-либо движения.

Рисунок 6: Транзисторы [Источник изображения]

A. Состав

Вначале германий использовался для создания транзисторов, которые были чрезвычайно чувствительны к температуре. Однако сегодня они изготавливаются из кремния, полупроводникового материала, обнаруженного в песке, потому что кремниевые транзисторы гораздо более устойчивы к температуре и дешевле в производстве.Есть два разных типа биполярных переходных транзисторов (BJT), NPN и PNP. Каждый транзистор имеет три контакта, которые называются базой (b), коллектором (c) и эмиттером (e). NPN и PNP относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор.

B. Как это работает?

Когда вы помещаете кремниевую пластину p-типа между двумя стержнями n-типа, вы получаете NPN-транзистор. Эмиттер присоединен к одному n-типу, а коллектор — к другому.Основание прикреплено к р-образному типу. Избыточные дырки в кремнии p-типа действуют как барьеры, блокирующие прохождение тока. Однако, если вы приложите положительное напряжение к базе и коллектору и отрицательно зарядите эмиттер, электроны начнут течь от эмиттера к коллектору.

Расположение и количество блоков p-типа и n-типа остаются инвертированными в транзисторе PNP. В этом типе транзистора один n-тип находится между двумя блоками p-типа. Поскольку распределение напряжения отличается, транзистор PNP работает иначе.Транзистор NPN требует положительного напряжения на базу, в то время как PNP требует отрицательного напряжения. Короче говоря, ток должен течь от базы, чтобы включить PNP-транзистор.

C. Функция и значение

Транзисторы функционируют как переключатели и усилители в большинстве электронных схем. Дизайнеры часто используют транзистор в качестве переключателя, потому что, в отличие от простого переключателя, он может превратить небольшой ток в гораздо больший. Хотя вы можете использовать простой переключатель в обычной цепи, для усовершенствованной схемы может потребоваться различное количество токов на разных этапах.

Транзисторы в слуховых аппаратах

Одно из самых известных применений транзисторов — слуховой аппарат. Обычно небольшой микрофон в слуховом аппарате улавливает звуковые волны, преобразовывая их в колеблющиеся электрические импульсы или токи. Когда эти токи проходят через транзистор, они усиливаются. Затем усиленные импульсы проходят через динамик, снова преобразуя их в звуковые волны. Таким образом, вы можете слышать значительно более громкую версию окружающего шума.

Транзисторы в компьютерах и калькуляторах

Все мы знаем, что компьютеры хранят и обрабатывают информацию, используя двоичный язык «ноль» и «единица». Однако большинство людей не знают, что транзисторы играют решающую роль в создании чего-то, что называется логическими вентилями, которые являются основой компьютерных программ. Транзисторы часто соединяются с логическими вентилями, чтобы создать уникальный элемент устройства, называемый триггером. В этой системе транзистор остается включенным, даже если вы уберете ток базы.Теперь он переключается или выключается всякий раз, когда через него проходит новый ток. Таким образом, транзистор может хранить ноль, когда он выключен, или единицу, когда он включен, что является принципом работы компьютеров.

Транзисторы Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона состоит из двух соединенных вместе транзисторов с полярным соединением PNP или NPN. Он назван в честь своего изобретателя Сидни Дарлингтона. Единственное назначение транзистора Дарлингтона — обеспечить высокий коэффициент усиления по току при низком базовом токе.Вы можете найти эти транзисторы в приборах, которым требуется высокий коэффициент усиления по току на низкой частоте, таких как регуляторы мощности, драйверы дисплея, контроллеры двигателей, световые и сенсорные датчики, системы сигнализации и усилители звука.

IGBT и MOSFET транзисторы

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) часто используются в качестве усилителей и переключателей в различных инструментах, включая электромобили, поезда, холодильники, кондиционеры и даже стереосистемы.С другой стороны, полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) обычно используются в интегральных схемах для управления уровнями мощности устройства или для хранения данных.

---

Компонент 5: Индуктор

Катушка индуктивности, также известная как реактор, представляет собой пассивный компонент цепи, имеющей два вывода. Это устройство хранит энергию в своем магнитном поле, возвращая ее в цепь при необходимости. Было обнаружено, что когда две катушки индуктивности размещаются рядом, не касаясь друг друга, магнитное поле, создаваемое первой катушкой индуктивности, воздействует на вторую катушку индуктивности.Это был решающий прорыв, который привел к изобретению первых трансформаторов.

Рисунок 7: Катушки индуктивности [Источник изображения]

A. Состав

Это, вероятно, простейший компонент, состоящий только из мотка медной проволоки. Индуктивность прямо пропорциональна количеству витков в катушке. Однако иногда катушка наматывается на ферромагнитный материал, такой как железо, слоистое железо и порошковое железо, для увеличения индуктивности. Форма этого сердечника также может увеличить индуктивность.Тороидальные (в форме бублика) сердечники обеспечивают лучшую индуктивность по сравнению с соленоидными (стержневыми) сердечниками на такое же количество витков. К сожалению, индукторы в интегральной схеме сложно соединить, поэтому их обычно заменяют резисторами.

B. Как это работает?

Когда ток проходит по проводу, он создает магнитное поле. Однако уникальная форма индуктора приводит к созданию гораздо более сильного магнитного поля. Это мощное магнитное поле, в свою очередь, сопротивляется переменному току, но пропускает через него постоянный ток.Это магнитное поле также хранит энергию.

Возьмем простую схему, состоящую из батареи, переключателя и лампочки. Лампа загорится ярко, как только вы включите выключатель. Добавьте в эту цепь индуктивность. Как только вы включаете выключатель, лампочка переключается с яркой на тусклую. С другой стороны, когда переключатель выключен, он становится очень ярким, всего на долю секунды до полного выключения.

Когда вы включаете выключатель, индуктор начинает использовать электричество для создания магнитного поля, временно блокируя прохождение тока.Но только постоянный ток проходит через индуктор, как только магнитное поле заполнено. Вот почему лампочка переключается с яркой на тусклую. Все это время индуктор хранит некоторую электрическую энергию в виде магнитного поля. Итак, когда вы выключаете выключатель, магнитное поле поддерживает постоянный ток в катушке. Таким образом, лампочка некоторое время горит ярко перед тем, как погаснуть.

C. Функция и значение

Хотя индукторы полезны, их сложно включить в электронные схемы из-за их размера.Поскольку они более громоздкие по сравнению с другими компонентами, они увеличивают вес и занимают много места. Следовательно, их обычно заменяют резисторами в интегральных схемах (ИС). Тем не менее, индукторы находят широкое применение в промышленности.

Фильтры в настроенных схемах

Одним из наиболее распространенных применений индукторов является выбор желаемой частоты в настроенных схемах. Они широко используются с конденсаторами и резисторами, подключенными параллельно или последовательно, для создания фильтров.Импеданс катушки индуктивности увеличивается с увеличением частоты сигнала. Таким образом, автономная катушка индуктивности может действовать только как фильтр нижних частот. Однако, когда вы объединяете его с конденсатором, вы можете создать режекторный фильтр, потому что сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты сигнала. Таким образом, вы можете использовать различные комбинации конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов для создания различных типов фильтров. Они присутствуют в большинстве электронных устройств, включая телевизоры, настольные компьютеры и радио.

Дроссели как дроссели

Если через дроссель протекает переменный ток, он создает противоположный ток. Таким образом, он может преобразовывать источник переменного тока в постоянный. Другими словами, он подавляет подачу переменного тока, но позволяет постоянному току проходить через него, отсюда и название «дроссель». Обычно они используются в цепях питания, которым необходимо преобразовать подачу переменного тока в подачу постоянного тока.

Ферритовые бусины

Ферритовый шарик или ферритовый дроссель используется для подавления высокочастотного шума в электронных схемах.Некоторые из распространенных применений ферритовых шариков включают компьютерные кабели, телевизионные кабели и кабели для зарядки мобильных устройств. Эти кабели иногда могут действовать как антенны, взаимодействуя с аудио- и видеовыходами вашего телевизора и компьютера. Таким образом, индукторы используются в ферритовых шариках, чтобы уменьшить такие радиочастотные помехи.

Индукторы в датчиках приближения

Большинство датчиков приближения работают по принципу индуктивности. Индуктивный датчик приближения состоит из четырех частей, включая индуктор или катушку, генератор, схему обнаружения и выходную схему.Осциллятор генерирует флуктуирующее магнитное поле. Когда объект приближается к этому магнитному полю, начинают накапливаться вихревые токи, уменьшая магнитное поле датчика.

Схема обнаружения определяет силу датчика, в то время как выходная схема вызывает соответствующий ответ. Индуктивные датчики приближения, также называемые бесконтактными датчиками, ценятся за их надежность. Они используются на светофорах для определения плотности движения, а также в качестве датчиков парковки легковых и грузовых автомобилей.

Асинхронные двигатели

Асинхронный двигатель, вероятно, является наиболее распространенным примером применения индукторов. Обычно в асинхронном двигателе индукторы устанавливаются в фиксированном положении. Другими словами, им не разрешается выравниваться с близлежащим магнитным полем. Источник питания переменного тока используется для создания вращающегося магнитного поля, которое затем вращает вал. Потребляемая мощность регулирует скорость вращения. Следовательно, асинхронные двигатели часто используются в приложениях с фиксированной скоростью.Асинхронные двигатели очень надежны и прочны, поскольку нет прямого контакта между двигателем и ротором.

Трансформаторы

Как упоминалось ранее, открытие индукторов привело к изобретению трансформаторов, одного из основных компонентов систем передачи энергии. Вы можете создать трансформатор, объединив индукторы общего магнитного поля. Обычно они используются для повышения или понижения напряжения в линиях электропередач до желаемого уровня.

Накопитель энергии

Катушка индуктивности, как и конденсатор, также может накапливать энергию. Однако, в отличие от конденсатора, он может накапливать энергию в течение ограниченного времени. Поскольку энергия хранится в магнитном поле, она схлопывается, как только отключается источник питания. Тем не менее, индукторы функционируют как надежные накопители энергии в импульсных источниках питания, таких как настольные компьютеры.

---

Компонент 6: реле

Реле — это электромагнитный переключатель, который может размыкать и замыкать цепи электромеханическим или электронным способом.Для работы реле необходим относительно небольшой ток. Обычно они используются для регулирования малых токов в цепи управления. Однако вы также можете использовать реле для управления большими электрическими токами. Реле — это электрический эквивалент рычага. Вы можете включить его небольшим током, чтобы включить (или усилить) другую цепь, использующую большой ток. Реле могут быть либо электромеханическими, либо твердотельными.

Рисунок 8: Реле [Источник изображения]

A. Состав

Электромеханическое реле (ЭМИ) состоит из корпуса, катушки, якоря, пружины и контактов.Рама поддерживает различные части реле. Якорь — это подвижная часть релейного переключателя. Катушка (в основном из медной проволоки), намотанная на металлический стержень, создает магнитное поле, которое перемещает якорь. Контакты — это токопроводящие части, которые размыкают и замыкают цепь.

Твердотельное реле (SSR) состоит из входной цепи, цепи управления и выходной цепи. Входная цепь эквивалентна катушке электромеханического реле. Схема управления действует как связующее устройство между входными и выходными цепями, в то время как выходная цепь выполняет ту же функцию, что и контакты в ЭМИ.Твердотельные реле становятся все более популярными, поскольку они дешевле, быстрее и надежнее электромеханических реле.

B. Как это работает?

Используете ли вы электромеханическое реле или твердотельное реле, это нормально замкнутое (NC) или нормально разомкнутое (NO) реле. В случае реле NC контакты остаются замкнутыми при отсутствии питания. Однако в нормально разомкнутом реле контакты остаются разомкнутыми при отсутствии питания.Короче говоря, всякий раз, когда через реле протекает ток, контакты либо размыкаются, либо замыкаются.

В ЭМИ источник питания возбуждает катушку реле, создавая магнитное поле. Магнитная катушка притягивает металлическую пластину, установленную на якоре. Когда ток прекращается, якорь возвращается в исходное положение под действием пружины. EMR также может иметь один или несколько контактов в одном пакете. Если в цепи используется только один контакт, она называется цепью с одиночным разрывом (SB). С другой стороны, цепь двойного размыкания (DB) идет с буксировочными контактами.Обычно реле с одинарным размыканием используются для управления маломощными устройствами, такими как индикаторные лампы, в то время как контакты с двойным размыканием используются для управления мощными устройствами, такими как соленоиды.

Когда дело доходит до работы SSR, вам необходимо подать напряжение выше, чем указанное напряжение срабатывания реле, чтобы активировать входную цепь. Вы должны подать напряжение ниже установленного минимального напряжения падения реле, чтобы деактивировать входную цепь. Схема управления передает сигнал от входной цепи к выходной цепи.Выходная цепь включает нагрузку или выполняет желаемое действие.

C. Функция и значение

Поскольку они могут управлять сильноточной цепью с помощью слаботочного сигнала, в большинстве процессов управления используются реле в качестве первичных устройств защиты и переключения. Они также могут обнаруживать неисправности и нарушения, возникающие в системах распределения электроэнергии. Типичные приложения включают телекоммуникации, автомобили, системы управления дорожным движением, бытовую технику и компьютеры, среди прочего.

Реле защиты

Защитные реле используются для отключения или отключения цепи при обнаружении каких-либо нарушений. Иногда они также могут подавать сигнал тревоги при обнаружении неисправности. Типы реле защиты зависят от их функции. Например, реле максимального тока предназначено для определения тока, превышающего заданное значение. При обнаружении такого тока реле срабатывает, отключая автоматический выключатель, чтобы защитить оборудование от возможного повреждения.

Дистанционное реле или реле импеданса, с другой стороны, может обнаруживать отклонения в соотношении тока и напряжения, а не контролировать их величину независимо. Он срабатывает, когда отношение V / I падает ниже заданного значения. Обычно защитные реле используются для защиты оборудования, такого как двигатели, генераторы, трансформаторы и т. Д.

Реле автоматического повторного включения

Реле автоматического повторного включения предназначено для многократного повторного включения автоматического выключателя, который уже отключен с помощью защитного реле.Например, при внезапном падении напряжения в электрической цепи в вашем доме может наблюдаться несколько кратковременных перебоев в подаче электроэнергии. Эти сбои происходят из-за того, что реле повторного включения пытается автоматически включить защитное реле. В случае успеха питание будет восстановлено. В противном случае произойдет полное отключение электроэнергии.

Тепловые реле

Тепловое воздействие электрической энергии — это принцип работы теплового реле. Короче говоря, он может обнаруживать повышение температуры окружающей среды и соответственно включать или выключать цепь.Он состоит из биметаллической полосы, которая нагревается при прохождении через нее сверхтока. Нагретая полоса изгибается и замыкает замыкающий контакт, отключая автоматический выключатель. Наиболее распространенное применение теплового реле — защита электродвигателя от перегрузки.

---

Компонент 7. Кристалл кварца

Кристаллы кварца находят несколько применений в электронной промышленности. Однако в основном они используются в качестве резонаторов в электронных схемах. Кварц — это встречающаяся в природе форма кремния.Однако теперь его производят синтетически, чтобы удовлетворить растущий спрос. Проявляет пьезоэлектрический эффект. Если вы приложите физическое давление к одной стороне, возникающие в результате вибрации создадут переменное напряжение на кристалле. Резонаторы из кварцевого кристалла доступны во многих размерах в зависимости от требуемых применений.

Рисунок 9: Кристалл кварца [Источник изображения]

A. Состав

Как упоминалось ранее, кристаллы кварца либо производятся синтетическим путем, либо встречаются в природе.Их часто используют для создания кварцевых генераторов для создания электрического сигнала с точной частотой. Обычно форма кристаллов кварца гексагональная с пирамидками на концах. Однако для практических целей их разрезают на прямоугольные плиты. К наиболее распространенным типам форматов резки относятся X, Y и AT. Эта плита помещается между двумя металлическими пластинами, называемыми удерживающими пластинами. Внешняя форма кварцевого кристалла или кварцевого генератора может быть цилиндрической, прямоугольной или квадратной.

Б.Как это работает?

Если подать на кристалл переменное напряжение, он вызовет механические колебания. Огранка и размер кристалла кварца определяют резонансную частоту этих колебаний или колебаний. Таким образом, он генерирует постоянный сигнал. Кварцевые генераторы дешевы и просты в изготовлении синтетическим способом. Они доступны в диапазоне от нескольких кГц до нескольких МГц. Поскольку кварцевые генераторы имеют более высокую добротность или добротность, они очень стабильны во времени и температуре.

C. Функция и значение

Исключительно высокая добротность позволяет использовать кристаллы кварца и резонансный элемент в генераторах, а также в фильтрах в электронных схемах. Вы можете найти этот высоконадежный компонент в радиочастотных приложениях, в качестве тактовых схем генератора в платах микропроцессоров, а также в качестве элемента синхронизации в цифровых часах.

Кварцевые часы

Проблема традиционных часов с винтовой пружиной заключается в том, что вам нужно периодически заводить катушку.С другой стороны, маятниковые часы зависят от силы тяжести. Таким образом, они по-разному показывают время на разных уровнях моря и высотах из-за изменений силы тяжести. Однако на характеристики кварцевых часов не влияет ни один из этих факторов. Кварцевые часы питаются от батареек. Обычно крошечный кристалл кварца регулирует шестеренки, которые управляют секундной, минутной и часовой стрелками. Поскольку кварцевые часы потребляют очень мало энергии, батарея часто может работать дольше.

Фильтры

Вы также можете использовать кристаллы кварца в электронных схемах в качестве фильтров.Они часто используются для фильтрации нежелательных сигналов в радиоприемниках и микроконтроллерах. Большинство основных фильтров состоят из одного кристалла кварца. Однако усовершенствованные фильтры могут содержать более одного кристалла, чтобы соответствовать требованиям к рабочим характеристикам. Эти кварцевые фильтры намного превосходят фильтры, изготовленные с использованием ЖК-компонентов.

---

Заключение

От общения с близкими, живущими на разных континентах, до приготовления горячей чашки кофе — электронные устройства затрагивают практически все аспекты нашей жизни.Однако что заставляет эти электронные устройства выполнять, казалось бы, трудоемкие задачи всего за несколько минут? Крошечные электронные схемы — основа всего электронного оборудования. Чтение о различных компонентах электронной схемы поможет вам понять их функции и значение. Поделитесь своими предложениями и мнениями по этому поводу в разделе комментариев ниже.

// Эта статья изначально была опубликована на ICRFQ.

.