Bipolaarne liitumistransistor (BJT): tööpõhimõte ja rakendused

Bipolaarne liitumistransistor (BJT või bipolaarne transistor) on transistori tüüp, mis tugineb kahe tüüpi pooljuhtide (nt n- ja p-tüüpi) liitumisele, et juhtida voolu. BJT-d kasutatakse laialdaselt võimendajatena, lülititena, ostsillaatorites ja muudes elektroonikaseadmetes; neid leidub nii eraldiseisvate komponentidena kui ka suurel hulgal integreeritud vooluahelate koostisosadena.

Neid kutsutakse bipolaarseteks transistorideks, sest nende töös osalevad nii elektronid kui ka augud, ehk kandjate mõlema tüübi liikumine mõjutab voolu ja võimendust.

Struktuur ja tüübid

BJT koosneb kolmest kihist: emitter, baas ja kollektor. Kihid on järjestuses either N–P–N (NPN-transistor) või P–N–P (PNP-transistor). Emitter on tavaliselt tugevalt dopeeritud, et süstida kandjaid (elektrone või aukusid) basi sisse; baas on väga õhuke ja nõrgemalt dopeeritud, kolektor kogub läbi liikuvad kandjad.

Tööpõhimõte lühidalt

Põhitunnus on see, et väike baasivool kontrollib palju suuremat kollektorivoolu. Common-emitter režiimis kehtib ligikaudne seos

• I_C ≈ β · I_B,

kus I_C on kollektorivool, I_B baasivool ja β (h_fe) on vooluahela võimendus ehk DC current gain. h_fe väärtused sõltuvad transistoritüübist ja tööpunkteerimisest: need võivad ulatuda mõnest kümnest kuni mõnesajani; väikese signaali transistoritele on tüüpilised väärtused sageli ~50–300.

Töörežiimid

• Aktivne režiim (võimendus): baas-emitter liitumine on edasi suunatud (forward biased), baas-kollektor tagasi suunatud (reverse biased); siin transistor toimib võimendina.
• Saturatsioon: mõlemad liitumised edasi suunatud; transistor toimib lülitina „täis sees” (madal kollektor-emitter pingelang).
• Katkestus (cut-off): mõlemad liitumised tagasi suunatud; transistor on lõdvaks (väike lekkiv vool).
• Tagasipeegeldus- või invertrežiimid: harvemalt kasutatavad ja ebaefektiivsed režiimid spetsiaalsetel juhtudel.

Peamised konfiguratsioonid

• Common-emitter (CE) — suur pingevõimendus ja faasipöörang; väga levinud võimendusskeem.
• Common-collector (emitter follower, CC) — madal väljundtakistus, pingevõimendus ~1; kasutatakse takistusmatkimiseks ja signaali käitlemiseks.
• Common-base (CB) — kõrge sageduse jõudlus ja väga madal sisestakistus; kasutatakse mõnes spetsiaalses rakenduses.

Rakendused

• Signaali võimendid (audio-, raadiosagedus- ja operaatorvõimendid).
• Digitaalsed lülitid ja loogikakonstruktsioonid (sh TTL loogika ajalooliselt).
• Väljundastmed toiteelektroonikas (võimsus-BJT-d suure võimsuse ja pingega rakendustes).
• Darlington-parid ja pingeregulaatorid (kui on vaja suuremat võimendust või vooluvastukku).
• Ostsillaatorid, kella- ja generaatorikiirused, signaalkontuurid ja stabilisaatorid.

Eelised ja piirangud

• Plussid: kõrge transkonduktsioon (voolu juhtimise efektiivsus), tugev võime juhtida suuri voole, hea lineaarsus teatud tööpunktis.
• Miinused: madalam sisestakistus võrreldes FET-idega, tundlikkus temperatuurile ja soojusele (thermal runaway võimalik), nõuab korrektselt kujundatud esi- ja tööbiasse.

Praktilised märkused

• Valides transistorit, vaata maksimaalset kollektor-emitter pinget (V_CE(max)), maksimaalset kollektorivoolu (I_C(max)) ja maksimaalset võimsuse hajumist; vajadusel kasuta jahutust (radiaator, termopasta).
• h_fe on sõltuv voolust ja temperatuurist — andmelehtedelt võetud nominaalväärtusi tuleb kasutada koos graafikute ja tööpunkti arvestustega.
• Power-BJT-de puhul on tähtis soojusjuhtivus, kas paki tüüp (TO-220, TO-247 jms) ja monteerimine on sobiv.

Kokkuvõtlikult on BJT tugev ja mitmekülgne komponent nii analoog- kui digitaal-elektroonikas. Õige valiku, töötamisrežiimi ja soojusjuhtimisega saab saavutada head võimendust, kiiret lülitust ja stabiilset tööd – samas tuleb arvestada nende tundlikkust temperatuurile ja vajadust õigeks bias-tamiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on bipolaarne liitumistransistor?

K: Millised on BJT-de erinevad kasutusalad?

K: Kus võib BJTsid leida?

K: Miks nimetatakse neid bipolaarseteks transistorideks?

K: Mis on hfe BJT-des?

K: Milline on BJT-de tüüpiline hfe vahemik?

K: Milline on Forward Current Gaini funktsioon BJTs?

Otsing