Vida útil del transistor. Transistores bipolares. Usando un transistor NPN como interruptor

El transistor bipolar es uno de los tipos de transistores más antiguos pero más famosos y todavía se utiliza en la electrónica moderna. Un transistor es indispensable cuando es necesario controlar una carga bastante potente para la cual el dispositivo de control no puede proporcionar suficiente corriente. Los hay de diferentes tipos y capacidades, dependiendo de las tareas realizadas. En este artículo se pueden encontrar conocimientos básicos y fórmulas sobre transistores.

Introducción

Antes de comenzar la lección, acordemos que estamos discutiendo solo un tipo de forma de encender un transistor. Se puede usar un transistor en un amplificador o receptor y, por lo general, cada modelo de transistor se fabrica con ciertas características para hacerlo más especializado y funcionar mejor en una aplicación particular.

El transistor tiene 3 terminales: base, colector y emisor. Es imposible decir sin ambigüedades cuál de ellos es la entrada y cuál es la salida, ya que todos están conectados y se influyen entre sí de una forma u otra. Cuando un transistor se enciende en modo de conmutación (control de carga), actúa así: la corriente de base controla la corriente del colector al emisor o viceversa, según el tipo de transistor.

Hay dos tipos principales de transistores: NPN y PNP. Para entender esto, podemos decir que la principal diferencia entre estos dos tipos es la dirección de la corriente eléctrica. Esto se puede observar en la Figura 1.A, donde se indica la dirección de la corriente. En un transistor NPN, una corriente fluye desde la base hacia el transistor y la otra corriente fluye desde el colector al emisor, pero en un transistor PNP ocurre lo contrario. Desde un punto de vista funcional, la diferencia entre estos dos tipos de transistores es el voltaje a través de la carga. Como puede ver en la imagen, el transistor NPN proporciona 0 V cuando está encendido y el PNP proporciona 12 V. Más adelante entenderás por qué esto afecta la selección de transistores.

Por simplicidad, estudiaremos solo los transistores NPN, pero todo esto se aplica a los PNP, teniendo en cuenta que todas las corrientes están invertidas.

La siguiente figura muestra la analogía entre un interruptor (S1) y un interruptor de transistor, donde se puede ver que la corriente de base cierra o abre el camino para la corriente desde el colector hasta el emisor:

Conociendo exactamente las características de un transistor, podrás sacarle el máximo partido. El parámetro principal es la ganancia de CC del transistor, que generalmente se denomina H fe o β. También es importante conocer la corriente, potencia y voltaje máximos del transistor. Estos parámetros se pueden encontrar en la documentación del transistor y nos ayudarán a determinar el valor de la resistencia base, que se describe a continuación.

Usando un transistor NPN como interruptor

La figura muestra la inclusión de un transistor NPN como interruptor. Encontrará esta inclusión muy a menudo al analizar varios circuitos electrónicos. Estudiaremos cómo hacer funcionar un transistor en el modo seleccionado, calcularemos la resistencia base, la ganancia de corriente del transistor y la resistencia de carga. Propongo la forma más sencilla y precisa de hacer esto.

1. Supongamos que el transistor está en modo de saturación: En este caso, el modelo matemático del transistor se vuelve muy simple y conocemos el voltaje en el punto V c. Encontraremos el valor de la resistencia base en el que todo estará correcto.

2. Determinación de la corriente de saturación del colector: El voltaje entre colector y emisor (V ce) se toma de la documentación del transistor. El emisor está conectado a GND, respectivamente V ce = V c - 0 = V c. Una vez que conocemos este valor, podemos calcular la corriente de saturación del colector usando la fórmula:

A veces, la resistencia de carga R L es desconocida o no puede ser tan precisa como la resistencia de la bobina del relé; En este caso, basta con conocer la corriente necesaria para poner en marcha el relé.
Asegúrese de que la corriente de carga no exceda la corriente máxima del colector del transistor.

3. Cálculo de la corriente base requerida: Conociendo la corriente del colector, puede calcular la corriente base mínima requerida para lograr esa corriente del colector usando la siguiente fórmula:

De ello se desprende que:

4. Exceder los valores permitidos: Una vez que haya calculado la corriente base, y si resulta ser menor que la especificada en la documentación, puede sobrecargar el transistor multiplicando la corriente base calculada, por ejemplo, por 10 veces. Por tanto, el interruptor del transistor será mucho más estable. En otras palabras, el rendimiento del transistor disminuirá si aumenta la carga. Tenga cuidado de no exceder la corriente base máxima indicada en la documentación.

5. Cálculo del valor requerido de R b: Considerando una sobrecarga de 10 veces, la resistencia R b se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

donde V 1 es el voltaje de control del transistor (ver Figura 2.a)

Pero si el emisor está conectado a tierra y se conoce el voltaje base-emisor (aproximadamente 0,7 V para la mayoría de los transistores), y suponiendo que V 1 = 5 V, la fórmula se puede simplificar a lo siguiente:

Se puede observar que la corriente base se multiplica por 10 teniendo en cuenta la sobrecarga.
Cuando se conoce el valor de Rb, el transistor está "configurado" para funcionar como un interruptor, también llamado "modo de saturación y corte", donde "saturación" es cuando el transistor está completamente abierto y conduciendo corriente, y "corte" es cuando está cerrado y no conduce corriente.

Nota: Cuando decimos , no estamos diciendo que la corriente del colector deba ser igual a . Esto simplemente significa que la corriente del colector del transistor puede aumentar hasta este nivel. La corriente seguirá las leyes de Ohm, como cualquier corriente eléctrica.

Cálculo de carga

Cuando consideramos que el transistor estaba en modo de saturación, asumimos que algunos de sus parámetros no cambiaron. Esto no es enteramente verdad. De hecho, estos parámetros se cambiaron principalmente aumentando la corriente del colector y, por lo tanto, es más seguro en caso de sobrecarga. La documentación indica un cambio en los parámetros del transistor durante una sobrecarga. Por ejemplo, la tabla de la Figura 2.B muestra dos parámetros que cambian significativamente:

H FE (β) varía con la corriente y el voltaje del colector V CEsat. Pero el propio V CEsat cambia según el colector y la corriente de base, como se muestra en la siguiente tabla.

El cálculo puede ser muy complejo, ya que todos los parámetros están estrecha y complejamente interrelacionados, por lo que es mejor tomar los peores valores. Aquellos. el H FE más pequeño, el V CEsat más grande y el V CEsat.

Aplicación típica de un interruptor de transistor

En la electrónica moderna, se utiliza un interruptor de transistor para controlar relés electromagnéticos, que consumen hasta 200 mA. Si desea controlar un relé con un chip lógico o un microcontrolador, entonces un transistor es indispensable. En la Figura 3.A, la resistencia de la resistencia base se calcula dependiendo de la corriente requerida por el relé. El diodo D1 protege el transistor de los pulsos que genera la bobina cuando se apaga.

2. Conexión de un transistor de colector abierto:

Muchos dispositivos, como la familia de microcontroladores 8051, tienen puertos de colector abierto. La resistencia de la resistencia base del transistor externo se calcula como se describe en este artículo. Tenga en cuenta que los puertos pueden ser más complejos y, a menudo, utilizan FET en lugar de bipolares y se denominan salidas de drenaje abierto, pero todo sigue exactamente igual que en la Figura 3.B.

3. Creando un elemento lógico O-NO (NOR):

A veces es necesario usar una sola puerta en un circuito y no desea usar un chip de 4 puertas de 14 pines debido al costo o al espacio en la placa. Se puede reemplazar con un par de transistores. Tenga en cuenta que las características de frecuencia de dichos elementos dependen de las características y el tipo de transistores, pero suelen estar por debajo de 100 kHz. Reducir la resistencia de salida (Ro) aumentará el consumo de energía pero aumentará la corriente de salida.
Necesita encontrar un compromiso entre estos parámetros.

La figura anterior muestra una puerta NOR construida con 2 transistores 2N2222. Esto se puede hacer con transistores PNP 2N2907, con modificaciones menores. Sólo hay que tener en cuenta que todas las corrientes eléctricas fluyen entonces en sentido contrario.

Encontrar errores en circuitos de transistores.

Cuando ocurre un problema en circuitos que contienen muchos transistores, puede ser bastante difícil saber cuál está defectuoso, especialmente cuando están todos soldados. Te doy algunos consejos que te ayudarán a encontrar rápidamente el problema en dicho esquema:

1. Temperatura: Si el transistor se calienta mucho, probablemente haya un problema en alguna parte. No es necesario que el problema sea un transistor caliente. Normalmente el transistor defectuoso ni siquiera se calienta. Este aumento de temperatura puede deberse a otro transistor conectado a él.

2. Medición de V CE de transistores: Si todos son del mismo tipo y todos funcionan, entonces deberían tener aproximadamente el mismo VCE. Encontrar transistores que tengan diferente VCE es una forma rápida de detectar transistores defectuosos.

3. Medición del voltaje a través de la resistencia base: El voltaje a través de la resistencia base es bastante importante (si el transistor está encendido). Para un controlador de transistor NPN de 5 V, la caída de voltaje a través de la resistencia debe ser superior a 3 V. Si no hay caída de voltaje a través de la resistencia, entonces el transistor o el dispositivo de control del transistor están defectuosos. En ambos casos, la corriente base es 0.

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Trasplantado por método HFE Se garantiza que el cabello crecerá (según su ciclo dentro de un año) y nunca se caerá. Después de 3-4 meses, crecerá alrededor del 30% del cabello trasplantado, después de 6 meses, 50-60%, y solo después de 10-12 meses, 100%.Una comparación lado a lado de los métodos de trasplante de cabello

Resultado del método: vista posterior (zona donante - zona de recogida del cabello)
	Máquina FUE: técnica parcialmente no quirúrgica (técnica sin costuras)	HFE: técnica no quirúrgica completa (intervención no quirúrgica)
Un año después del trasplante: el cabello (injertos) se elimina con un bisturí a partir de una tira cortada (colgajo) de 15-20 cm. Una cicatriz lineal visible de 15 a 20 cm permanece en la parte posterior de la cabeza de por vida.	Un año después del trasplante: el cabello (injertos) se elimina mediante un robot (máquina) utilizando un punzón (tubo) de 1,8-5 mm. Las cicatrices visibles con un diámetro de 1,8 a 5 mm permanecen en la parte posterior de la cabeza de por vida.	7 días después del trasplante: las UF (unidades microfoliculares) se eliminan manualmente en unidades con un instrumento microquirúrgico con un diámetro de 0,5-0,9 mm. En la parte posterior de la cabeza quedan microheridas que sanan en 3-5 días sin dejar ningún daño en la piel.
Resumen del método: vista frontal (zona de trasplante capilar)
	Máquina FUE: técnica parcialmente no quirúrgica
Un año después del trasplante: el cabello se coloca en incisiones de 2,0 a 2,5 mm. usando pinzas Posibilidad del método: la densidad del cabello es de hasta 40 cabellos/1 cm2. Es imposible lograr una mayor densidad incluso después de repetidas cirugías.	Un año después del trasplante: el cabello se coloca en incisiones (punciones preliminares) de 1,8-2,5 mm. usando pinzas Posibilidad del método: la densidad del cabello es de hasta 40-50 cabellos/1 cm2. Es imposible lograr una mayor densidad porque: el trasplante repetido es imposible o difícil.	Un año después del trasplante: se inserta el cabello mediante un instrumento microquirúrgico Choi con un diámetro de 0,5-0,9 mm.

Un transistor es un dispositivo semiconductor cuyo objetivo principal es ser utilizado en circuitos para amplificar o generar señales, así como para interruptores electrónicos.

A diferencia de un diodo, un transistor tiene dos uniones pn conectadas en serie. Entre las transiciones existen zonas con diferentes conductividades (tipo “n” o tipo “p”), a las que se conectan los terminales de conexión. La salida de la zona media se llama "base", y de las extremas, "colector" y "emisor".

La diferencia entre las zonas "n" y "p" es que la primera tiene electrones libres y la segunda tiene los llamados "huecos". Físicamente, un "agujero" significa que falta un electrón en el cristal. Los electrones, bajo la influencia del campo creado por una fuente de voltaje, se mueven de menos a más, y los "agujeros", viceversa. Cuando regiones con diferentes conductividades se conectan entre sí, los electrones y los "huecos" se difunden y se forma una región llamada unión p-n en el límite de la conexión. Debido a la difusión, la región “n” resulta estar cargada positivamente y la región “p” está cargada negativamente, y entre regiones con diferentes conductividades surge un campo eléctrico propio, concentrado en la región de la unión p-n.

Cuando el terminal positivo de la fuente está conectado a la región "p" y el terminal negativo a la región "n", su campo eléctrico compensa el propio campo de la unión p-n y una corriente eléctrica pasa a través de él. Cuando se conecta al revés, el campo de la fuente de alimentación se suma al suyo, incrementándolo. El cruce está bloqueado y no pasa corriente a través de él.

El transistor contiene dos uniones: colector y emisor. Si conecta la fuente de alimentación solo entre el colector y el emisor, no fluirá corriente a través de ella. Uno de los pasajes resulta estar cerrado. Para abrirlo se aplica potencial a la base. Como resultado, surge una corriente en la sección colector-emisor que es cientos de veces mayor que la corriente base. Si la corriente base cambia con el tiempo, entonces la corriente del emisor la repite exactamente, pero con una amplitud mayor. Esto es lo que determina las propiedades de refuerzo.

Dependiendo de la combinación de zonas de conducción alterna, se distinguen los transistores p-n-p o n-p-n. Los transistores pnp se abren cuando el potencial de base es positivo y los transistores npn se abren cuando el potencial de base es negativo.

Veamos varias formas de probar un transistor con un multímetro.

Comprobación del transistor con un óhmetro.

Dado que el transistor contiene dos uniones p-n, su capacidad de servicio se puede verificar utilizando el método utilizado para probar diodos semiconductores. Para ello, se puede considerar como el equivalente a una conexión espalda con espalda de dos diodos semiconductores.

Los criterios de capacidad de servicio para ellos son:

• Resistencia baja (cientos de ohmios) al conectar una fuente de CC en dirección directa;
• Resistencia infinitamente alta al conectar una fuente de CC en dirección inversa.

Un multímetro o probador mide la resistencia utilizando su propia fuente de energía auxiliar: una batería. Su voltaje es pequeño, pero suficiente para abrir la unión pn. Al cambiar la polaridad de conectar las sondas del multímetro a un diodo semiconductor en funcionamiento, en una posición obtenemos una resistencia de cien ohmios y en la otra, infinitamente grande.

Un diodo semiconductor se rechaza si

• en ambas direcciones el dispositivo mostrará una pausa o cero;
• en la dirección opuesta, el dispositivo mostrará cualquier valor de resistencia significativo, pero no infinito;
• Las lecturas del dispositivo serán inestables.

Al verificar un transistor, necesitará seis mediciones de resistencia con un multímetro:

• base-emisor directo;
• directo de coleccionista base;
• reversa base-emisor;
• reverso del colector base;
• emisor-colector directo;
• reverso emisor-colector.

El criterio de capacidad de servicio al medir la resistencia de la sección colector-emisor es un circuito abierto (infinito) en ambas direcciones.

Ganancia de transistores

Hay tres esquemas para conectar un transistor a etapas de amplificador:

• con un emisor común;
• con un coleccionista común;
• con una base común.

Todos tienen sus propias características, y el más común es el circuito emisor común. Cualquier transistor se caracteriza por un parámetro que determina sus propiedades de amplificación: la ganancia. Muestra cuántas veces la corriente en la salida del circuito será mayor que en la entrada. Para cada uno de los esquemas de conmutación existe su propio coeficiente, diferente para un mismo elemento.

Los libros de referencia dan el coeficiente h21e, el factor de ganancia para un circuito con un emisor común.

Cómo probar un transistor midiendo la ganancia

Uno de los métodos para comprobar el estado de un transistor es medir su ganancia h21e y compararla con los datos del pasaporte. Los libros de referencia indican el rango en el que puede encontrarse el valor medido para un tipo determinado de dispositivo semiconductor. Si el valor medido está dentro del rango, entonces es normal.

La ganancia también se mide para seleccionar componentes con los mismos parámetros. Esto es necesario para construir algunos circuitos amplificadores y osciladores.

Para medir el coeficiente h21e, el multímetro tiene un límite de medición especial denominado hFE. La letra F significa "directo" (polaridad recta) y la "E" significa circuito emisor común.

Para conectar el transistor al multímetro, se instala un conector universal en su panel frontal, cuyos contactos están marcados con las letras "EVSE". Según esta marca, se conectan los terminales del transistor “emisor-base-colector” o “base-colector-emisor”, dependiendo de su ubicación en una pieza en particular. Para determinar la ubicación correcta de los pines, deberá utilizar un libro de referencia, donde también podrá averiguar el factor de ganancia.

Luego conectamos el transistor al conector, seleccionando el límite de medida del multímetro hFE. Si sus lecturas corresponden a los valores de referencia, el componente electrónico que se está probando está operativo. Si no es así, o el dispositivo muestra algo ininteligible, el transistor ha fallado.

Transistor de efecto de campo

Un transistor de efecto de campo se diferencia de un transistor bipolar en su principio de funcionamiento. Dentro de la placa de cristal de una conductividad (“p” o “n”), se introduce en el medio una sección con una conductividad diferente, llamada puerta. En los bordes del cristal hay pasadores conectados, llamados fuente y drenaje. Cuando el potencial de la puerta cambia, el tamaño del canal que transporta corriente entre el drenaje y la fuente y la corriente a través de él cambian.

La resistencia de entrada del transistor de efecto de campo es muy alta y, como resultado, tiene una ganancia de voltaje alta.

Cómo probar un transistor de efecto de campo

Consideremos la prueba usando el ejemplo de un transistor de efecto de campo con un canal n. El procedimiento será el siguiente:

1. Cambiamos el multímetro al modo de prueba de diodos.
2. Conectamos el terminal positivo del multímetro a la fuente y el terminal negativo al drenaje. El dispositivo mostrará 0,5-0,7 V.
3. Cambie la polaridad de la conexión al contrario. El dispositivo mostrará una pausa.
4. Abrimos el transistor conectando el cable negativo a la fuente y tocando el cable positivo a la puerta. Debido a la existencia de la capacitancia de entrada, el elemento permanece abierto por algún tiempo; esta propiedad se utiliza para realizar pruebas.
5. Movemos el cable positivo al desagüe. El multímetro mostrará 0-800 mV.
6. Cambie la polaridad de la conexión. Las lecturas del dispositivo no deberían cambiar.
7. Cerramos el transistor de efecto de campo: el cable positivo a la fuente, el cable negativo a la puerta.
8. Repetimos los puntos 2 y 3, nada debería cambiar.

Entonces, acordemos de antemano que en nuestros ejemplos usaremos un circuito con CE (emisor común):

Las ventajas de este circuito son que amplifica tanto el voltaje como la corriente. Por lo tanto, este circuito se utiliza con mayor frecuencia en electrónica.

Bueno, comencemos a estudiar las propiedades amplificadoras del transistor con este circuito. Este esquema tiene un parámetro muy interesante. Se llama ganancia de corriente en un circuito con un Emisor Común y se designa con la letra β (beta). Este coeficiente muestra cuántas veces la corriente del colector excede la corriente base en el modo activo de funcionamiento del transistor.

También se suele designar, especialmente en los multímetros, como h21e o vida.

Encontrar beta en la práctica

Hagamos un diagrama con la ayuda del cual, creo, todo encajará en su lugar. Usando este diagrama mediremos aproximadamente el coeficiente β .

Para un transistor NPN, el circuito se verá así:

Para un transistor PNP como este:

Dado que su conductividad es NPN, usaremos este circuito:

Entonces, ¿qué vemos aquí? Hay un transistor, dos fuentes de alimentación y dos amperímetros. Configuramos un amperímetro para medir microamperios (μA) y el segundo para medir miliamperios (mA). En la fuente de alimentación murciélago 2 Establezcamos el voltaje en 9 voltios. unidad de poder Murciélago 1 con nosotros con una flecha. Esto significa que cambiaremos su valor de 0 a 1 Voltio.

Tenemos un esquema con OE. La corriente base fluye a través del emisor base y más adelante a lo largo del circuito. Yo B, y la corriente del colector fluye a través del colector-emisor y más a lo largo del circuito yo k. Para medir esta corriente (intensidad de corriente), conectamos un amperímetro al circuito abierto. Sólo queda un poquito por hacer. Medir la corriente base (I B), mida la corriente del colector (yo k) y luego divide estúpidamente la corriente del colector por la corriente de la base. Y de esta relación encontraremos aproximadamente el coeficiente β . Es sencillo).

Aquí hay dos fuentes de alimentación:

exhibimos en murciélago 2 voltaje 9 voltios:

Todo el esquema se parece a esto.

El multímetro amarillo medirá miliamperios y el multímetro rojo medirá microamperios, por lo que no prestamos atención a la coma en el multímetro rojo.

Agregar voltaje a Murciélago 1 de 0,6 Voltios y gire el mando a 1 Voltio, sin olvidar fotografiar los resultados. Calculamos el coeficiente. β para algunas medidas:

24,6 mA/0,23 mA=107

50,6 mA/0,4 mA=126,5

53,4 mA/0,44 mA=121,4

91,1 mA/0,684 mA=133,2

99,3 mA/0,72 mA=137,9

124,6 mA/0,827 mA=150,6

173,3mA/1,095mA=158

Encontrar la media aritmética:

β≈(107+126,5+121,4+133,2+137,9+150,6+158)/7=133

En la hoja de datos de KT815B el coeficiente β puede tener un valor en el rango de 50 a 350. Nuestro coeficiente se encuentra dentro de este rango, lo que significa que el transistor está vivo y coleando. Se fortalecerá.

Me gustaría agregar que el verdadero valor del coeficiente. β medido un poco diferente. Para determinar el valor real, es necesario medir no corrientes continuas, como lo hicimos nosotros, sino incrementos muy pequeños de estas corrientes, es decir, realizar mediciones en corriente alterna y una pequeña señal:

Con corriente continua baja, el valor beta medido es menor que el valor real y con corriente continua alta es mayor que el valor real. La verdad esta en algun lugar enmedio. Los radioaficionados no son personas exigentes y en el campo lo principal es averiguar aproximadamente el valor. β .

También me gustó mucho el vídeo sobre el transistor bipolar de Soldering Iron TV. Definitivamente recomiendo ver: