Bipolare Junction -Transistoren (BJTs): Struktur, Typen und Testmethoden

Bipolare Junction -Transistoren (BJTs) sind die Grundkomponenten in der Elektronik, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, elektrische Signale präzise zu verstärken und zu schalten.BJTs werden in allen Audioverstärkern und HF-Schaltungen bis hin zu Mikrocontroller-Schnittstellen und digitalen Logiksystemen verwendet und bleiben trotz des Anstiegs von Feldeffekttransistoren (FETs) eine Kerntechnologie.Dieser Artikel bietet einen detaillierten Einblick in BJT-Konstruktion, Betriebsmodi, Konfigurationen, Typen, Vorteile, Testmethoden und die Auswahl des richtigen BJT für Ihre Anwendung.

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Abbildung 1. Bipolarversorgungstransistor (BJT)

Bipolare Junction Transistors (BJTS) Übersicht

Ein Bipolar Junction Transistor (BJT) ist ein Drei-terminaler Halbleitergerät, das zum Amplifieren oder Schalten von elektrischen Signalen entwickelt wurde.Es arbeitet mit zwei P-N-Junktionen, die entweder in einer NPN- oder PNP-Konfiguration angeordnet sind.Im Gegensatz zu unipolaren Geräten werden BJTs als "bipolar" bezeichnet, da sowohl Elektronen als auch Löcher am Leitungsprozess teilnehmen.Aufgrund ihrer hohen Stromverstärkung und ihrer zuverlässigen analogen Leistung werden BJTs in Audioverstärkern, Signalverarbeitungssystemen, HF -Modulen und Schaltschaltkreisen häufig eingesetzt.

BJT -Struktur- und Betriebsregionen

Abbildung 2. Bipolar Junction Transistor (BJT) Struktur

Ein bipolarer Junction -Transistor (BJT) besteht aus drei Halbleiterschichten, Emitter, Basis und Kollektor und bildet zwei kritische Verbindungen, die seine Funktion steuern.Jede Region ist unterschiedlich dotiert, um eine effiziente Ladungsbewegung zu erleichtern:

• Emitter (E): stark dotiert, eine große Konzentration von Ladungsträgern (Elektronen in NPN, Löcher in PNP) zu injizieren.

• Basis (b): Sehr dünn und leicht dotiert, damit die meisten Träger aus dem Emitter mit minimaler Rekombination durchlaufen werden können.

• Kollektor (C): Mäßig dotiert und physisch größer, um Träger effizient zu sammeln und Wärme abzuleiten.

Diese Ebenen erstellen zwei Verbindungen:

• Emitter-Base Junction (EBJ): Normalerweise Vorwärtsbias, um die Ladungsinjektion zu ermöglichen.

• Collector-Base Junction (CBJ): In der Regel umgekehrt, um Träger anzuziehen und zu sammeln.

Abhängig davon, wie diese Kreuzungen voreingenommen sind, arbeitet die BJT in einer von drei Regionen:

Region	EBJ -Voreingenommenheit	CBJ -Voreingenommenheit	Funktion	Typische Verwendung
Aktiv	Nach vorne	Umkehren	Signalverstärkung	Analoge Verstärker, Sensoren
Sättigung	Nach vorne	Nach vorne	Vollständige Leitung (Ein)	Wechsel Relais, Motoren und LEDs
Cutoff	Umkehren	Umkehren	Keine Leitung (aus)	Digitale Logik aus dem Zustand

Im aktiven Bereich arbeitet die BJT als Verstärker: Ein kleiner Basisstrom moduliert einen größeren Kollektorstrom.Wenn beide Kreuzungen vorwärts-BIAS (Sättigung) sind, leitet der Transistor vollständig als geschlossener Schalter.Umgekehrt blockiert das Gerät, wenn beide umgekehrte BIAS (Cutoff) sind, den Strom und nach, die einen offenen Schalter nachahmen.

BJT -Konfigurationen und deren Eigenschaften

Abbildung 3. BJT -Konfigurationen

BJTs können in drei Konfigurationen angeschlossen werden, basierend darauf, auf welchem Terminal sowohl Eingang als auch Ausgang gemeinsam sind:

Konfiguration	Eingang → Ausgangspfad	Schlüsselmerkmale	Phasenverschiebung
Gemeinsame Basis (CB)	Emitter → Sammler	Niedriger Eingang, hohe Ausgangsimpedanz;Gut Für den Hochfrequenzgebrauch	0 °
Gemeinsamer Emitter (CE)	Basis → Sammler	Hochspannung/Stromverstärkung;am weitesten verbreitet Verwendete Konfiguration	180 °
Gemeinsamer Sammler (CC)	Basis → Emitter	Hoher Eingang, niedrige Ausgangsimpedanz;gebraucht für Pufferung	0 °

BJT -Typen und spezialisierte Varianten

NPN gegen PNP -Transistoren

Abbildung 4. NPN -Transistor

• NPN-Transistor: Die Basis ist p-Typ, die zwischen zwei Schichten vom Typ n-Typ eingegrenzt ist.Elektronen sind die Mehrheitsträger.NPNs sind effizienter und schneller, wodurch sie für die allgemeine Verstärkung und das Umschalten bevorzugt werden.

Abbildung 5. PNP -Transistor

• PNP-Transistor: Die Basis ist N-Typ, umgeben von zwei Schichten vom P-Typ.Löcher sind die Mehrheitsträger.PNPs arbeiten ähnlich wie NPNs, erfordern jedoch eine umgekehrte Polarität.

Spezialisierte BJT -Varianten

Transistortyp	Beschreibung & Anwendung
Krafttransistoren	Hochspannung/Strom handhaben;verwendet in Netzteile, Wechselrichter und Motorkontroller
Unijunction -Transistoren	Einzelanschlussgeräte für verwendet für Auslösen und Timing in Oszillatoren und Pulsschaltungen
Phototransistoren	Lichtempfindlich;verwendet in optoelektronisch Geräte wie Fernbedienungen und Lichtsensoren
Heterojunction BJTS (HBTS)	Aus verschiedenen Halbleitern hergestellt (z. B.,,, Gaas, Sige);Wird in RF- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet
Darlington Transistoren	Zwei BJTs, die für einen hohen Stromverstärkung verbunden sind; geeignet für niedrige Signalwechsel, Hochschildanlage
Schottky -Transistoren	Schottky Dioden einbeziehen, um sie zu verhindern Sättigung;Wird in schnell abgestellten Logikschaltungen verwendet
HF -Transistoren	Für GHz-Range-Frequenzen entwickelt;gebraucht In drahtlosen Kommunikationssystemen

Vor- und Nachteile von BJTs

Vorteile

• Hochstrom- und Spannungsverstärkung: Eine signifikante Verstärkung durch kleine Eingänge.

• Gute Frequenzleistung: Wirksam sowohl in Audio- als auch in moderaten HF -Bereichen.

• Niedrige Schaltspannung: Am Basis-Emitter-Übergang (für Siliziumtypen) ist nur ~ 0,6–0,7 V erforderlich.

• Ausgezeichnete Linearität: Ideal für analoge und Audioanwendungen, bei denen die Signaltreue wichtig ist.

Nachteile

• Niedrigere Schaltgeschwindigkeit: Ladespeicher in der Basis begrenzt ihre Geschwindigkeit im Vergleich zu MOSFETs.

• Thermisches Ausreißerrisiko: Erhöhtes Strom erhöht die Anschlusstemperatur und führt möglicherweise zu einem Versagen.

• Basisstromnachfrage: Erfordert einen kontinuierlichen Basisstrom, der den Stromverbrauch erhöht.

• Weniger effizienter Logikschaltungen: Moderne digitale Systeme bevorzugen FETs für einen schnelleren und effizienteren Betrieb.

BJT gegen FET -Vergleich

Abbildung 6. BJT gegen FET

Besonderheit	BJT	Fet
Kontrollmechanismus	Stromkontrolliert (IB)	Spannungskontrollierte (VGS)
Terminals	Emitter, Basis, Sammler	Quelle, Tor, Abfluss
Eingangsimpedanz	Niedrig	Hoch
Geschwindigkeitswechsel	Mäßig	Schnell
Verstärkungsart	Aktueller Gewinn	Spannungsverstärkung
Bevorzugte Verwendung	Lineare, analoge Schaltungen	Digitale, hohe Geschwindigkeitskreise mit geringer Leistung

Testen eines bipolaren Junction -Transistors

Die ordnungsgemäße Prüfung eines bipolaren Übergangstransistors (BJT) stellt sicher, dass er vor der Verwendung in einer Schaltung korrekt funktioniert.Zwei gemeinsame Methoden, Multimeter-Dioden-Tests und ein LED-basierter Funktionstest, können verwendet werden, um die Gesundheit und das Verhalten von NPN- und PNP-Transistoren zu überprüfen.

Verwenden eines digitalen Multimeters (Dioden -Testmodus)

Diese Methode überprüft die internen Verbindungen des Transistors mit dem Dioden -Testmodus, der in den meisten digitalen Multimetern verfügbar ist.

Schritt 1: Identifizieren Sie die Terminals

Weitere Informationen finden Sie im Datenblatt des BJT oder verwenden Sie einen Komponenten -Tester, um die Basis-, Kollektor- und Emitterstifte genau zu identifizieren.

Schritt 2: Testen Sie die Basis-Emitter-Junction

Legen Sie die positive (rote) Sonde auf die Basis und die negative (schwarze) Sonde auf dem Emitter.Bei Siliziumtransistoren sollte eine ordnungsgemäß vorwärts gerichtete Verbindung einen Spannungsabfall von ungefähr 0,6 bis 0,7 V anzeigen.

Schritt 3: Test-Basis-Sammler-Übergang

Halten Sie die rote Sonde auf der Basis und bewegen Sie die schwarze Sonde zum Sammler.Ein funktionaler Übergang zeigt eine ähnliche Vorwärtsspannungsmessung von 0,6 bis 0,7 V.

Schritt 4: Überprüfen Sie, ob Sie umgekehrte Leckage oder Aufschlüsselung untersuchen

Wechseln Sie die Sondenpositionen sowohl für die Basis-Emitter- als auch für die Basiskollektorübergänge um.Ein gesunder Transistor sollte OL (überlimit) oder einen sehr hohen Widerstand anzeigen, was auf keine umgekehrte Leckage hinweist.

Schritt 5: Testsammler-Emitter-Junction

Legen Sie die Sonden zwischen Sammler und Emitter in beide Richtungen, ohne die Basis zu berühren.Es sollte keine Leitung geben - was bedeutet, entweder OL oder einen hohen Widerstand -, wenn der Transistor gut ist, da die Basis schwimmt.

LED-basierter Funktionstest

Diese einfache Methode prüft, ob die BJT bei normalem Betrieb ordnungsgemäß wechseln kann.

Schritt 1: Erstellen Sie einen einfachen Testkreislauf

Starten Sie zunächst einen 10kΩ -Widerstand an den Basisklemmen.Schließen Sie dann eine LED in Serie mit einem Stromlimitwiderstand (wie 330 Ω) zwischen dem Sammler und dem Emitter an.Verwenden Sie schließlich eine Gleichstromversorgung (typischerweise zwischen 5 V und 12 V), um sicherzustellen, dass die Polarität mit dem BJT -Typ übereinstimmt.

Schritt 2: Wenden Sie den Basisstrom an und beobachten Sie das LED -Verhalten

Verbinden Sie den Sammler für einen NPN -Transistor mit der positiven Versorgung und dem Emitter mit dem Boden.Tragen Sie eine kleine positive Spannung auf die Basis durch den 10 -kΩ -Widerstand auf.Wenn die LED aufleuchtet, bedeutet dies, dass der Transistor leitet und korrekt funktioniert.

Im Gegensatz dazu verbinden Sie den Emitter für einen PNP -Transistor mit der positiven Versorgung und dem Sammler mit dem Masse.Wenden Sie eine kleine negative Spannung auf die Basis an, die niedriger als die Emitterspannung ist.Wenn die LED einschalten, funktioniert der PNP -Transistor ordnungsgemäß.

Wenn die LED in beiden Fällen nicht aufleuchtet, kann dies auf umgekehrte Verkabelung, falscher Verzerrung oder einem beschädigten Transistor zurückzuführen sein.

Auswahl der richtigen Bipolar -Junction -Transistoren

Durch die Auswahl eines BJT müssen sowohl die elektrischen Anforderungen als auch die Schaltungsbedingungen analysiert werden:

• Collector-Emitter-Spannung (VCE): Wählen Sie eine mit mindestens 30% Rand über Ihrer maximalen Spannung.

• Sammlerstrom (IC): Muss sowohl die Peak- als auch die stationäre Last unterstützen.

• Stromversorgung (PD): Bewerten Sie die erwartete Wärme und berücksichtigen Sie bei Bedarf den Kühlkörper.

• Stromverstärkung (HFE oder β): Gewährleisten Sie eine ausreichende Verstärkung für die gewünschte Signalverstärkung.

• Frequenzgang (FT): Für den RF- oder Hochgeschwindigkeitsbetrieb wird hoher FT benötigt.

• Packungstyp: bis 92 oder SOT-23 für niedrige Leistung;To-220 für höhere Stromversorgung.

• Polarität (NPN/PNP): Übereinstimmung mit Ihrer Stromversorgungslogik (positive oder negative Schaltung).

• Schaltzeit: Die kürzeren Anstiegs-/Herbstzeiten sind besser für PWM und digitale Schalten.

• Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit: Verwenden Sie gemeinsame, gut unterstützte Modelle wie 2N2222 oder BC557.

Abschluss

BJTs werden in der modernen Elektronik aufgrund ihrer hohen Stromverstärkung, zuverlässigen analogen Leistung und vielseitigen Anwendungen in Bezug auf Verstärkung und Schaltschaltungen benötigt.Ein solides Verständnis der BJT -Struktur, der Betriebsmodi, -konfigurationen und der Testmethoden ist für die Gestaltung robuster analoge und digitale Schaltungen erforderlich.Durch die Auswahl des richtigen BJT basierend auf wichtigen Parametern wie Spannungsbewertung, Stromkapazität und Frequenzgang können Sie die Schaltungsleistung optimieren und eine langfristige Zuverlässigkeit in Ihren Entwürfen sicherstellen.