CAP. 3 TRANZISTOARE BIPOLARE

Transcript

1 AP. 3 TANZSTA PLA 3. NłUN FUNDAMNTAL Tranzstorl bpolar (T), este realzat dntr-n crstal semcondctor comps dn tre regn dopate c mprtăń de tp dfert, care se scced în ordnea: p-n-p sa n-p-n ş care satsfac condńle: ) regnea de mjloc, nmtă bază, are o lăńme mcă (fracńn de mcron... mcron) fańă de lngmea de dfze a prtătorlor mnortar care o parcrg ş ) na dn regnle extreme, nmtă emtor, are n grad de mprfcare mlt ma mare decât baza. ea de-a trea regne a tranzstorl se nmeşte colector. În cadrl strctr de tranzstor se formează doă joncńn pn. egmrle de fncńonare ale tranzstorl rezltă dpă cm snt polarzate aceste joncńn. ele patr cazr posble snt prezentate în tabell 3.. Polarzarea joncńn: egml de - - fncńonare Drecta nversă Actv normal Drectă Drectă SatraŃe nversă nversă locare nversă Drectă Actv nversat Tabell 3. egmrle de fncńonare ale tranzstorl în fncńe de polarzarea joncńnlor. FncŃonarea în regm actv normal (prescrtat AN) este întâlntă în cazl aplcańlor lnare. În satrańe tranzstorl se poate aproxma c n comtator închs ( 0), ar în blocare c n comtator deschs ( 0). Tranzstorl se tlzează în aceste doă regmr la aplcańle dn electronca dgtală ş la crctele de comtańe. egml actv nversat este întâlnt foarte rar. Tranzstorl va f analzat în regm actv normal. În AN, joncńnea emtorl, dntre emtor ş bază, este polarzată în sensl condcńe. JoncŃnea fnd asmetrcă (condńa ), crentl prn această joncńne se va datora îndeoseb prtătorlor mnortar njectań în bază dn emtor. Aceşt prtător vor dfza prn bază ş cea ma mare parte a lor vor traversa baza fără a se recombna (datortă condńe ) ajngând la ce-a dea doa joncńne pn (joncńnea colectorl), pe care o vor traversa, deoarece este polarzată nvers (fnd favorzată condcńa prtătorlor mnortar). Astfel, prn joncńnea colectorl, deş polarzată nvers, va trece n crent mare, aproape întreg crentl care trece prn joncńnea emtorl polarzată drect. Trecerea n crent mare prntr-o joncńne polarzată nvers, datortă prezenńe ne joncńn polarzată drect în vecnătatea e, constte efectl de tranzstor. Aceste tranzstoare se nmesc tranzstoare bpolare deoarece fncńonarea lor se bazează pe ambele categor de prtător (majortar în regnle extreme ş mnortar în regnea de mjloc). Smbolrle tranzstoarelor de tp pnp, respectv npn snt prezentate în fgra 3..

2 a) pnp b) npn Fg. 3.. Smbolrle tranzstoarelor bpolare. Săgeata dn smbol ndcă emtorl tranzstorl. Sensl săgeń ndcă sensl joncń. emtorl (de la p la n) ş sensl crenńlor prn tranzstor. Tranzstorl pnp este reprezentat c emtorl în ss, rezltă astfel o crclańe a crenńlor de ss în jos. 3.. Tranzstorl bpolar în regm actv normal (AN) În regm actv normal joncńnea emtorl este polarzată drect ş joncńnea colectorl este polarzată nvers. Pentr fxarea delor se va consdera tranzstorl npn, caz în care: 0 ; < 0., (3.) > În cazl aplcańlor zale condńle anteroare devn: > U ; > U D0 sat, (3.) nde U D0 este tensnea de deschdere a dode bază-emtor (U D0 0,5V la slc) ş U sat este tensnea de satrańe a tranzstorl (c o valoare zală de câteva zecm de volt). În aceste condń, datortă efectl de tranzstor, crentl de colector este aproape egal c cel de emtor: = c α = 0,98...0,998, (3.3) α nde α este factorl de amplfcare în crent dntre colector ş emtor. fectl de tranzstor poate f modelat prntr-n generator de crent comandat în crent. rentl de emtor crclă prn joncńnea de emtor polarzată drect ş depnde exponenńal de tensnea de polarzare a joncńn conform ne ecań de tpl ecańe exponenńale a dode. Tranzstorl poate f prvt ca o dodă între bază ş emtor ş ca n generator de crent (comandat în crent) în colector. rctl dn fgra 3..a este echvalent n tranzstor npn. α α U β S/ α U a) b) c) Fg. 3.. Modele de semnal mare în AN pentr tranz. npn; a) crct c dodă, b), c) crcte echv. smplfcate doda este înloctă c o srsă de tensne. cańa exponenńală a tranzstorl pentr tranzstorl npn este: = S exp, (3.4) U nde S este o constantă nmtă crent de satrańe al tranzstorl ş U T ( 5mV la 90K) este tensnea termcă. S are valor tpce în domenl A (fncńe de dmensnea tranzstorl) ş depnde de temperatră (se dblează la crca 5 creştere a temperatr). T

3 smplfcare a scheme echvalente dn fgra 3..a, se obńne înlocnd doda dntre bază ş emtor c o srsă de tensne constantă. Această înlocre este posblă deoarece tensnea bază-emtor se schmbă relatv pńn la modfcarea crentl de colector; pentr n crent prn tranzstor = zecm de ma ste de ma, rezltă U =0,6 0,8V(la tranzstorl c slc). Se consderă o tensne constantă: U 0,7V ş se obńne astfel modell smplfcat al T dn fgra 3..b, care asgră o precze sfcentă pentr crctele zale. În majortatea aplcańlor tranzstorl este tlzat ca n dspoztv comandat. Modell dn fgra 3..b (sa a), este convenabl dacă tranzstorl este comandat dn emtor, adcă crctl de comandă fxează valoarea crentl de emtor. xstă adesea stań în care tranzstorl este controlat dn bază. Pentr aceste cazr este preferabl crctl dn fgra 3..c, (echvalent c crctl dn fgra 3..b), Trecerea de la crentl de emtor la crentl de bază se face c aşanmta ecańe de contntate a tranzstorl: =, (3.5) care se înloceşte în relańa (3.3). ezltă sccesv: α = α = α α ; ( α ) = α ; = sa α = β ; (3.6) α β =, (3.7) α reprezntă factorl de amplfcare în crent dntre colector ş bază. łnând seama de valorle pt. α dn relańa (3.3), rezltă β = c valor zale β = Se observă dspersa mare a amplfcăr colector-bază ş se reńne faptl că această amplfcare este mlt sprantară. La tranzstoarele pnp se nversează sensl tensnlor ş al crenńlor, conform c sensrle dn fgra 3..a. Astfel, se nversează ndc tensnlor dn relańle (3.) (3.) ş (3.4); de exempl, pentr ca tranzstorl pnp să fe practc în AN relańa (3.) devne: > U ; > U D0 sat. (3.8) elańle refertoare la crenń (3.3), (3.5) ş (3.6) n se modfcă (deoarece sensl de crclańe al crenńlor prn tranzstorl pnp se consderă nversat fańă de tranzstorl npn crentl ntră în emtor ş ese prn colector). În cazl tranzstoarelor pnp, schemele echvalente dn fgra 3. devn: α S/ α a) b) U Fg Modele de semnal mare în AN pentr tranz. pnp; a) crct c dodă, b), c) crcte echv. smplfcate doda este înloctă c o srsă de tensne. α U c) β 3

4 ndferent de tp, tranzstorl bpolar în AN este n dspoztv care controlează crentl de colector. ontroll lnar al crentl de colector se poate realza în doă modr: - prn crentl de emtor ş - prn crentl de bază. La analza n crct c tranzstoare, se dentfcă modaltatea de control (dn emtor sa dn bază), se tlzează nl dntre modelele dn fgra 3. sa 3.3 ş se verfcă, c relańle (3.) sa (3.8), în ce măsră tranzstorl îş păstrează regml actv normal de fncńonare la eventala modfcare a semnalelor. 3.. Tranzstorl bpolar în regm de blocare În regm de blocare ambele joncńn ale T snt polarzate nvers (conform tabell 3.). În cazl tranzstorl npn aceasta înseamnă: < 0 ş < 0. (3.0) În practcă se admte că tranzstorl este blocat char dacă joncńnle tranzstorl snt polarzate drect dar c o tensne ma mcă decât tensnea de deschdere a dodelor respectve; la tranzstor npn: U ; 0, (3.) < D0 > nde U D0 este tensnea de deschdere a dode bază-emtor (U D0 0,5V la slc). În acest caz crenń prn tranzstor snt de ordnl mcroamperlor, negljabl pentr aplcańle practce. Se pot tlza relańle aproxmatve: 0, 0, 0, (3.) ceea ce este echvalent c a consdera tranzstorl ca o întrerpere de crct. La tranzstorl pnp sensl tensnlor se nversează ş relańle (3.) devn: U ; 0, (3.3) < D0 > În conclze, n tranzstor blocat n are nc n efect în crctl în care apare ş poate f şters dn acel crct Modele smplfcate ale T valable în AN ş în blocare Trecerea dn regml de blocare în regm actv normal are loc gradat prn modfcarea tensn pe joncńnea emtorl de la U D0 0,5V la U D 0,7V ş poate f analzată c ajtorl ecańe exponenńale a tranzstorl, relańa (3.4). aracterl nelnar al aceste ecań face nepractcă tlzarea e în la analza crctelor obşnte. α β U U D D a) >U sa b) c) 0 U D t Fg rcte echvalente smplfcate pentr tranzstoare npn valable în AN ş în blocare, comandate: a) în emtor, b) în bază ; c) caracterstca de transfer dealzată. 4

5 Modelele smplfcate dn fgra 3.4 ş 3.5 pot f tlzate atât în regm de blocare cât ş în regm actv normal. Trecerea de la n regm la altl are loc prn modfcarea stăr dode deale dn crctl echvalent (ca ş la modell dode c tensne de prag). Această smplfcare condce la mcşorarea precze ma ales în domenl crenńlor mc, la lmta dntre blocare ş AN. a) U D α Fg rcte echvalente smplfcate pentr tranzstoare pnp valable în AN ş în blocare, comandate: a) în emtor, b) în bază ; c) caracterstca de transfer dealzată. rctele echvalente prezentate n snt valable în satrańe ş în regm actv nversat, ceea ce mpne o condńe splmentară: b) > U pentr npn, respectv > U pentr pnp, (3.4) sat β sat nde U sat sa U sat este tensnea de satrańe a tranzstorl npn, respectv pnp (c o valoare zală de câteva zecm de volt) Tranzstorl bpolar în satrańe În regm de satrańe ambele joncńn ale T snt polarzate drect (conform tabell 3.). În cazl tranzstorl npn aceasta înseamnă: 0 ; > 0. (3.5) > Tranzstorl bpolar ntră în regm de satrańe dacă în baza tranzstorl se forńează dn exteror n crent ma mare decât crentl de bază necesar pentr menńnerea crentl de colector al tranzstorl: >, (3.6) β Srplsl de crent dn bază = ( /β ) deschde joncńnea bază-colector. Deoarece ambele joncńn ale tranz. snt deschse, tensnea dntre colector ş emtor este mcă: = ( 0, ,6=0, 0,3V). Dacă se consderă această tensne aproxmatv constantă, în locl n tranzstor npn satrat se poate tlza crctl echvalent dn fgra 3.6.a. U sat U sat >U sa t U D U U sat a) b) c) Fg Scheme echvalente pentr tranzstorl bpolar satrat: a) tranzstor npn, b) schemă smplfcată pentr npn, c) tranzstor pnp. U sat Tensnea de satrańe a tranzstorl U sat are o valoare zală de câteva zecm de volt; în cazl tranzstoarelor de mcă ptere se poate consdera U sat 0,V. La o analză smplfcată a crctelor care conńn tranzstoare c) 0 U D 5

6 satrate se poate consdera tensnea de satrańe a tranzstorl ca fnd nlă, ma ales dacă tensnle dn crctl colectorl a valor ma mar decât câńva volń. În acest caz crctl echvalent al tranzstorl se smplfcă ş devne cel dn fgra 3.6.b. Tensnea bază-emtor a tranzstoarelor în satrańe are de obce valor ma mar decât în AN U sat = 0,7...0,9V. Pentr smpltate se consderă tensnea bază-emtor c aceeaş valoare dn AN: U sat U 0,7V. Pentr a realza o satrańe fermă a tranzstorl, raportl dntre crentl de colector ş cel de bază, nmt factor de amplfcare forńat (de crctl exteror): se alege de obce β fortat = < β, (3.7) β fortat = 0K0 < < β. (3.8) În cazl tranzstoarelor pnp sensl tensnlor se nversează ş se poate tlza crctl echvalent dn fgra 3.6.c, nde U sat este tensnea de satrańe a tranzstorl (c valor zale de câteva zecm de volt, ca ş la tranzstorl npn). În conclze, tranzstorl este satrat datortă n crent excesv în bază ş se comportă într-o prmă aproxmare ca n comtator închs (între colector ş emtor). Ma exact, tensnea colector-emtor este de câteva zecm de volt. 3. APLAł SMPL AL TANZSTAL 3.. nversorl c tranzstor bpolar nversorl de tensne în forma l cea ma smplă este prezentat în fgra 3.7. Srsa de tensne de la ntrare se conectează între bază ş emtor (prn ntermedl rezstenńe ) ar eşrea se prea între colector ş emtor. mtorl este conectat la masă ş este comn ntrăr ş eşr; se spne despre tranzstor că este în conexnea emtor comn. U U β U a) b) Fg nversorl c tranzstor bpolar: a) schema de prncp, b) schema echvalentă c tranzstorl în AN. Tranzstorl este tlzat ca amplfcator de crent, ar rezstenńele realzează conversa crent-tensne. ezstenńa transformă tensnea de ntrare în crent de bază conform TK pe bcla de ntrare: = =. (3.9) ezstenńa transformă crentl de colector în tensne de eşre conform TK pe bcla de eşre: = U, (3.0) 6

7 nde c U s-a notat tensnea srse de almentare a crctl. Se consderă cazl zal în care este îndeplntă condńa, U >>U D0, (3.) nde U D0 0,5V este tensnea de deschdere a ne dode c slc (joncńnea bază-emtor). Pentr tensn de ntrare mc ( <U D0 ) tranzstorl este blocat, crenń prn tranzstor snt negljabl ş tensnea de eşre are o valoare rdcată: ( ) U U, 0. (3.) = Pentr tensn de ntrare sfcent de mar, tranzstorl ntră în satrańe. În acest caz tensnea de eşre este mcă: U ( 0,V), (3.3) = sat ş crentl de colector atnge o valoare apropată de valoarea maxmă posblă: U U sat U = ( = max ). (3.4) ntrarea în satrańe a tranzstorl are loc dacă se njectează în baza acesta n crent ma mare decât cel necesar pentr a ssńne crentl dn colector. ondńa (3.6), de ntrare în satrańe, devne: U U = > > U U. (3.5) β β β Tensnea bază-emtor s-a consderat constantă, U (=U D 0,7V). ele doă stań extreme: tranzstorl blocat ş respectv tranzstorl satrat snt tlzate la crctele care lcrează în comtańe sa în cazl crctelor logce. În acest ltm caz, dacă se alocă valoarea logcă 0 pentr tensn mc (apropate de zero volń) ş valoarea logcă pentr tensn rdcate (apropate de U ) se observă că valoarea logcă de eşre este nversl valor logce de ntrare; crctl c tranzstor realzează fncńa de nversare sa negare logcă. Dacă tensnea de ntrare are valor med, atnc tranzstorl va fncńona în regnea actvă normală (AN). Tranzstorl se comportă ca o srsă de crent controlată dn crctl baze ş de aceea se preferă tlzarea scheme echvalente dn fgra 3.3.c. Schema echvalentă a nversorl este prezentată în fgra 3.7.b. FncŃonarea crctl poate f descrsă c relańle (3.6), (3.9) ş (3.0), relań dn care se obńne caracterstca de transfer a crctl: xempl U = U β = U β. (3.6) Să se exprme analtc ş să se repreznte grafc caracterstca de transfer a nversorl dn fgra 3.7.a pentr: =kω, =0kΩ, =0 5V ş U =5V. Se consderă modell dn fg. 3.4.b c U (=U D ) =0,7V, β =00 ş U sat =0,V. 7

8 ezolvare: În blocare: 0, =. Tranzstorl este blocat dacă doda bază-emtor este blocată: <U D adcă <U D. Dacă tranzstorl este blocat, 0 ş conform (3.) rezltă: U U = 5V, pentr < 0,7V. = Pentr >0,7V doda bază-emtor este în condcńe ş tranzstorl poate f în AN sa în satrańe. Dacă >0,V, tranzstorl este în AN ş caracterstca de transfer este dată de (3.6): 0,7 = 5 k 00 = 0 [V], pt. 0 > 0, <,8 V. 0k În satrańe, conform (3.3): =0,V pentr >,8V relańa (3.5). aracterstca de transfer a crctl pentr întreg domenl de varańe a tensn de ntrare este reprezentată grafc în fgra 3.8. Pentr comparańe, s-a reprezentat c lne întrerptă caracterstca obńntă prn smlare. aracterstca de transfer este descrsă analtc de fncńa lnarzată pe porńn: 5 [V] locare AN SatraŃe = 5 V = 0 = 0, V pentr V pt. pentr < 0,7 V 0,7,8 V <,8 V Fg aracterstca de transfer a nversorl c tranzstor ; c lne întrerptă este schńată caracterstca de transfer obńntă prn smlare. 0, 0 0,7,8 5 [V] Problemă de proectare a) Să se dmensoneze crctl nversor dn fgra 3.9, astfel încât să realzeze: - U pentr =0 V, - =U sat 0 pentr = 5V. Parametr tranzstorl se consderă U D0 =0,5V, U =0,7V ş β =00. b) Să se determne tensnea de ntrare de la care tranzstorl ntră în satrańe dacă β =300. k U 5V Fg nversor logc c tranzstor 8

9 ezolvare: a) Dmensonarea crctl se redce la aflarea valorlor rezstenńelor ş. Pentr tranzstorl blocat, dvzorl de tensne lcrează în gol ( 0) ş dec: =. sa = La lmta eşr dn blocare, conform relańe (3.): =U D0 =0,5V ş trebe ca =V (conform ennńl). Dn relańa precedentă rezltă: = = = =. 0,5 La lmta ntrăr în satrańe ( = V), cf. relańe (3.5), crentl de bază este: rentl necesar prn : U β se poate determna ş dn legea l hm: U 5 = = 0,05 ma. 00 k U = =, obńnt dn TK, U =. Pentr =, rezltă: U U 0,7 =, = = = kω 0,05m b) Pentr β =300, la lmta ntrăr în satrańe ( = V), crentl necesar este: U β 5 = = 0,067 ma, 300 k ar tensnea de ntrare la care apare acest crent (pentr = =kω) se poate calcla dn: U U = = U = k 0,067m 0,7 =,6V. În conclze crctl analzat poate f tlzat ca nversor logc. ntervalele de tensn corespnzătoare nvelelor logce la ntrare snt: - pentr 0 logc : =0 V depnde de tensnea de deschdere a tranzstorl U D0 ş de raportl rezstenńelor de la ntrare (n depnde de β ); - pentr logc : = 5V pentr β =00 ş =,6 5V pentr β =300 depnde de factorl de amplfcare în crent al tranzstorl. Pentr ca crctl să fncńoneze c orce tranzstor care are β 00, se va consdera ntervall de tensn care asgră satrarea tranzstorl pentr β mnm, dec = 5V, satrarea tranzstoarelor care a β ma mare fnd asgrată mplct. 9

10 3.. rct de comandă al n rele c tranzstor bpolar Dmensonarea crctl de comandă c tranzstor bpolar se va face pe baza n exempl. rctl dn fgra 3. declanşează n rele electromagnetc la scăderea lmnăr ambante sb n anmt prag. ontactele de forńă ale relel pot f tlzate de exempl pentr cplarea atomată a ssteml de lmnare de sgranńă. a senzor de lmnă este tlzată fotorezstenńa F componentă semcondctoare a căre rezstenńă scade la creşterea lmnăr (datortă prtătorlor de sarcnă generań optc). Prn modfcarea rezstenńe se poate ajsta pragl de declanşare. Doda D are roll de a crea o cale de crent pentr tensnea de atondcńe care apare la decplarea relel (în momentl blocăr tranzstorl). În lpsa dode această tensnea ar ptea dce la străpngerea tranzstorl. xempl de proectare Să se calcleze pentr ca relel să cpleze la acea lmnare pentr care fotorezstenńa are F = 5kΩ, dacă U =V, U =0,7V, β =00. ezstenńa relel este el = kω ar tensnea de prag (la care cplează relel) este U P =6V. La ce valoare a F va cpla relel dacă β =00? F D U el. Fg. 3.. ele optc ezolvare: Declanşarea relel se prodce la aparńa tensn de prag pe rele. rentl prn rele este crentl de colector al tranzstorl. renń prn U P 6 6m tranzstor snt: = = = 6mA, = = = 0,06mA. k β 00 el Acest crent de bază trebe să apară pentr F = 5kΩ. rentl prn fotorezstenńă ş rezstenńa necesară se pot determna prn aplcarea sccesvă a leg l hm: U U U,3 F = = 0,4mA, = F = 0,mA, = = 56kΩ F 0,m Dacă factorl de amplfcare creşte, crentl necesar în bază scade, crentl prn n se modfcă ş dec cplarea relel se va prodce pentr o altă valoare a fotorezstenńe: F 6m U 0,7 = = 0,m = 0,7mA, F = = = 4,kΩ. β 00 0,7m bservańe: Pentr aplcańa propsă modfcarea fotorezstenńe de la 5kΩ la crca 4kΩ este acceptablă; declanşarea relel optc se va prodce la n nvel de lmnare ceva ma rdcat dacă factorl de amplfcare al tranzstorl este ma mare. F 0