ontrol Systems Laboratory Δίοδοι Zener συνεχ. Οι Zener χρησιμοποιούνται σε ρυθμιστές τάσεως (voltage I s regulators) δηλαδή συσκευές όπου η τάση του φορτίου I V Z υ διατηρείται σταθερή για μία ευρεία περιοχή διακύμανσης in R L της αντίστασης του φορτίου και της τάσης της πηγής. Κατά τον σχεδιασμό ρυθμιστών τάσεως ουσιαστική είναι η επιλογή της αντίστασης έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας της διόδου να ευρίσκεται στην περιοχή Zener, δηλαδή η τάση στα άκρα της να είναι V z < 0 και το δι' αυτής ρεύμα I z > 0. Πρέπει δηλαδή Is > IL και κατά συνέπεια Vin υ Vin Vz υ Vz Vin Vz Is = = > = = IL Rs < RL R R R R V s s L L z Αυτή η απαίτηση θα πρέπει όμως να σταθμισθεί με το ότι όσο πιο μικρή είναι η αντίσταση τόσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ενέργειας τόσον επ' αυτής όσο και επί της Zener. Μία άλλη χρήση των Zener είναι για τον μετασχηματισμό ή κανονικοποίηση (των σημάτων όπως φαίνεται στην περίπτωση ενός ψαλιδιστή (clipper) με χρήση Zener με V z = - 5 V. 1 V in R s R s 5 V - V out I L Ψαλιδισµένο Σήµα 5 V
Ασκήσεις ontrol Systems Laboratory Στο κύκλωμα σταθεροποιητή Zener η δίοδος Zener έχει αντίσταση Zener, R z =11.5 Ω και τάση Zener V z = - 12 V. (α) Εστω ότι η τάση τροφοδοσίας V s παίρνει αρχικά μία τιμή 20 V και σταδιακά ελαττώνεται μέχρι 0 V. Σε κάποιο σημείο αυτής της μεταβολής, η δίοδος Zener θα σταματήσει να δρα ως σταθεροποιητής της τάσης επί του φορτίου. Να ευρεθεί αυτή η τάση τροφοδοσίας V s 0 που χάνεται αυτή η δυνατότητα σταθεροποίησης. (β) Εστω ότι η κανονική τάση τροφοδοσίας είναι V s =20 V με κυμάτωση ±5% γύρω από αυτή την τιμή. Να ευρεθεί η κυμάτωση της τάσης στα άκρα του φορτίου (Υπόδειξη: να ευρεθεί η σχέση V s ως προς i s, όπου i s το ρεύμα που αποδίδει η πηγή τροφοδοσίας). V s 0.33 kω 1.5 kω 2
ontrol Systems Laboratory Ασκήσεις, (α) Ας θεωρήσουμε τα διαρρέοντα ρεύματα στο i s διπλανό σχήμα. i V z s Οταν οριακά σταματά η δίοδος να σταθεροποιεί (δηλ. να είναι στη περιοχή Zener) θα ισχύουν στιγμιαία: V1 = 12V i z = 0 il = is Οπότε με εφαρμογή των νόμων του Κirchoff: - 12V 12 V1 = il 1,5KΩ= 12V is = il = = 8mA 1,5 Οπότε η αντίστοιχη τάση τροφοδοσίας είναι 0.33 kω o o V = i 0,33KΩ 12V V = 8mA 0,33KΩ 12V = 14,64V S S S συνεχ. (β) Εφόσον η τάση τροφοδοσίας είναι V s =20 V, η τάση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα παίρνει τιμές μεταξύ των : V =1.05 =1.05 20V = s V 21V max s V =0.95 = s V min s Αυτές είναι μεγαλύτερες από την τάση πηγής στην οποία εμφανίζεται το φαινόμενο Zener. Επομένως, θα έχουμε εμφάνιση του φαινομένου καθ όλο το εύρος μεταβολής της τάσης. 3 «1» i L 1.5 kω =0.95 20V 19V
ontrol Systems Laboratory Ασκήσεις, Από εφαρμογή του Kirchoff στους 2 βρόχους και στον κόμβο «1», παίρνουμε: VL = il 1, 5KΩ= iz 0,0115KΩ 12V is 1,5K 12V i Ω Z = i S = i Z i L 1,5115KΩ V = i 0,33KΩ i 0,0115KΩ 12V S S Z V s 0.33 kω συνεχ. «1» i s i z i L 1.5 kω V = i 0,3414KΩ 11,9087 V i S S S V = S 11,9087 0,3414 ± 5 % ± 0.21 % V S = 19V i S =15.9667 ma i Z = 7.063 ma V L =12.0909 V S = 20V => i S =18.2185 ma => i Z = 10.1408 ma => V L =12.1166 V S = 21V i S =20.4701 ma i Z = 12.3753 ma V L =12.1223 =>Σταθεροποίηση! Γιατί ύπάρχει 25 φορές μικρότερη διακύμαση στην έξοδο (δηλ. στο φορτίο) από την είσοδο. 4
ontrol Systems Laboratory Σηµαντικό πρόβληµα για εξάσκηση και κατανόηση Στο κύκλωμα σταθεροποιητή Zener η δίοδος Zener έχει αντίσταση Zener, R z και τάση Zener V z. (α) Να ευρεθεί η τάση τροφοδοσίας V s που παύει η δυνατότητα σταθεροποίησης της Zener. (β) Να ευρεθεί η τάση VL στά άκρα του φορτίου σαν συνάρτηση της τάσης της πηγής τροφοδοσίας V s (γ) Εστω ότι η κανονική τάση τροφοδοσίας είναι V s * και παρουσιάζεται κυμάτωση ±α% γύρω από αυτή την τιμή. Να ευρεθεί η κυμάτωση της τάσης στα άκρα του φορτίου. 5
ontrol Systems Laboratory Φωτοεκποµποί Δίοδοι Σε μία ορθά πολωμένη δίοδο, η μετάβαση των ηλεκτρονίων μέσω της σύνδεσης pn αντιστοιχεί με μετάπτωση από υψηλότερη ενεργειακή στάθμη σε χαμήλώτερη. Η διαφορά ενέργειας εκλύεται είτε με την μορφή θερμότητας στις απλές διόδους είτε με την μορφή φωτός στις φωτοεκπομπούς διόδους (Light Emixng Diode - LED). Οι LED είναι κατασκευασμένες από Ga, P ή As. Η σχετική ανάμιξη αυτών των ουσιών οδηγεί σε έκλυση φωτός διαφόρων χρωμάτων (δηλ. μηκών κύματος) ή ακόμα και σε (αόρατες) ακτίνες υπέρυθρες. Οι LED έχουν χαμηλό PIV (- 3-5V) και επομένως θα πρέπει να ελέγχεται η σωστή πολικότητα τους. Το δυναμικό παρεμπόδισης είναι περίπου V. LED =1.5-2.2 V και το τυπικό ρεύμα περίπου I = 20-30 ma. Επομένως, για να αποφευχθεί η καταστροφή τους, θα πρέπει να τίθενται εν σειρά με μία αντίσταση V in ( ) R = V V I s in LED όπου η τάση της πηγής. Η ειδική έκλυση φωτεινής ενέργειας στις LED είναι περίπου 0.1 W/A. 6
ontrol Systems Laboratory Φωτοδίοδοι Δίοδοι Laser Οταν το φώς από την LED οδηγηθεί σε μία κοιλότητα μεταξύ δύο εξαιρετικά ανακλαστικών επιφανειών τότε η συνεχής ανάκλαση οδηγεί στο σχηματισμό μιάς εξαιρετικά φωτεινής και μονο- συχνοτικής ακτίνας φωτός. Γιά την κατασκευή του χρησιμοποιείται GaAs που αυξάνει την οπτική ισχύ κατά 1000 φορές σε σχέση με τις απλές LED. Το μήκος L καθορίζει το μήκος κύματος του εκπεμπομένου φωτός. Χρησιμοποιούνται σε οπτικές επικοινωνίες και συστήματα αναγνωσης με μπάρες (bar coding). Οι φωτοδίοδοι (photodiodes) είναι δίοδοι σχεδιασμένες να λειτουργούν σε ανάστροφη πόλωση και κατασκευασμένες έτσι ώστε φως να μπορεί να οδηγηθεί στην ένωση pn μέσω ενός φακού που είναι προσαρμοσμένος σε ένα παράθυρο. Το ρεύμα διαρροής, που είναι στα επίπεδα των μα, είναι ανάλογο της εισερχόμενης φωτεινής ισχύος. Παρακάτω φαίνεται μία εφαρμογή ενός καλωδίου οπτικής ίνας (fiber opšc cable) που χρησιμοποιείται για την μετάδοση δεδομένων και απαιτεί LED, IRED ή δίοδο Laser. 7
ontrol Systems Laboratory Άσκηση για το Σπίτι Για τη LED του σχήματος ισχύει: Το δυναμικό παρεμπόδισης είναι περίπου V LED =1.5-2.2 V. Εύρυθμη λειτουργία εξασφαλίζεται όταν το ρεύμα που διέρχεται μέσω αυτής είναι στο εύρος I LED = 20-30 ma. Εχει: ειδική έκλυση φωτεινής ενέργειας περίπου 0.1 W/A, και χαμηλό δυναμικό κατάρρευσης (- 3-5 V). Να ευρεθεί τό εύρος διακύμανσης V s min, V smax της τάσης τροφοδοσίας όσο και η εν σειρά αντίσταση που εξασφαλίζει: τόσο ότι σε κανονική σύνδεση (ορθή πόλωση) διέρχεται ρεύμα στο αναμενόμενο εύρος όσο και ότι σε πιθανή λανθασμένη τοποθέτιση της LED, η τάση στα άκρα της δεν θα καταστραφεί. 8
Κεφάλαιο 2 Transistors 1. Εισαγωγή - Γενικά 2. Διπολικά Transistors (ipolar JuncŠon Transistors - JT) a. Χαρακτηριστικά Λειτουργίας Συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού b. Πόλωση Transistor c. Το JT Ως Ενισχυτής d. Το JT Ως Διακόπτης e. Βιομηχανικές Εφαρμογές Διπολικών Transistor f. Το Φωτοτρανζίστορ 3. Transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field Effect Transistors - FET) a. Transistor Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (JuncŠon Filed Effect Transistors - JFET) 4. Διπολικά transistor Μονωμένης Θύρας (Insulated Gate ipolar Transistor - IGT)
ontrol Systems Laboratory Εισαγωγή - Γενικά Τα transistors είναι ημιαγωγά συσκευάσματα ευρείας χρήσης. ασικό χαρακτηριστικό: οι ικανότητες ενίσχυσης (amplificašon) και ελεγχόμενης διακοπής (switching). Τα transistors είναι συσκευές 3 ακροδεκτών και το μέγεθός τους είναι ανάλογο της ισχύος που διαχειρίζονται. Τα transistors ισχύος (power transistors ) χειρίζονται πολλή μεγάλη ισχύ και τοποθετούνται πάνω σε ψήκτρες. Οι πιό χρήσιμοι τύποι transistor σε βιομηχανικές εφαρμογές είναι τα Διπολικά transistors (ipolar JuncMon Transistors - JT) και τα transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field Effect Transistors - FET). τα Διπολικά transistor Μονωμένης Θύρας (Insulated Gate ipolar Transistor - IGT) Ο κάθε τύπος έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα JT είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα στα αναλογικά κυκλώματα ενώ τα FET στα ψηφιακά. Τα IGT είναι ένας σχετικά νέος τύπος transistor που συνδυάζει πολλά από τα πλεονεκτήματα των δύο άλλων τύπων. 10
ontrol Systems Laboratory Διπολικά Transistors (ipolar Junction Transistors - JT) Τα JT είναι ημιαγωγά συσκευάσματα με δύο ενώσεις np. Η εναλλαγή ημιαγωγών υλικών μπορεί να είναι είτε τύπου npn είτε τύπου pnp. Τα χρησιμοποιούμενα υλικά είναι πυρίτιο και γερμάνιο. Το μεσαίο υπόστρωμα ημιαγωγού υλικού είναι πολύ λεπτό και λέγεται βάση (ase - ) ενώ τα ακραία ονομάζονται εκπομπός (Emišer - E) και συλλέκτης (ollector - ). Οταν η βάση είναι τύπου p (transistor npn) τότε οπές «ρέουν» από την βάση προς τον εκπομπό. Οταν η βάση είναι τύπου n (transistor pnp) τότε οπές «ρέουν» από τον εκπομπό προς την βάση. Στο σχηματικό σύμβολο ενός transistor φαίνονται οι ακροδέκτες (E) που αντιστοιχούν σε κάθε τύπο υποστρώματος καθώς επίσης και, μέσω του βέλους, η ροή οπών. Οταν η κατεύθυνση του βέλους είναι από την βάση προς τον εκπομπό δείχνει ότι είναι transistor τύπου - npn. Στην περίπτωση transistor τύπου pnp το βέλος έχει αντίθετη φορά. n p n 11 I E E I p n p Το γεγονός ότι η βάση είναι πολύ λεπτή της επιτρέπει να λειτουργεί σαν "είσοδος ελέγχου". Ετσι τα σήματα που εφαρμόζονται στην βάση χρησιμοποιούνται για να παράγουν και ελέγξουν την ροή ρεύματος μεταξύ των δύο άλλων ακροδεκτών. I E E E I I I E
Διατάξεις Transistor ontrol Systems Laboratory Οι πιθανές συνδέσεις ενός transistor σχετίζονται με τον ακροδέκτη από την οποία εισέρχεται το σήμα εισόδου και τον ακροδέκτη που λαμβάνεται το σήμα εξόδου ή, ισοδύναμα, το ποιος ακροδέκτης του transistor είναι κοινός τόσο για το σήμα εισόδου όσο και για το σήμα εξόδου. Αυτός είναι σημαντικός παράγων για την ανάλυση και λειτουργία του κυκλώματος. Ανάλογα, λοιπόν, με το ποιος είναι ο κοινός ακροδέκτης έχουμε τα εξής είδη διατάξεων: V i V 0 V i V 0 V i V 0 (α) κοινού εκποµπού (β) κοινού συλλέκτη (γ) κοινής βάσης 12
ontrol Systems Laboratory Σύνδεση κοινού εκποµπού (ommon Emitter - E) Θεωρούμε την συνδεσμολογία κοινού εκπομπού όπου ο εκπομπός είναι κοινός τόσο για το σήμα εισόδου όσο και για το σήμα εξόδου. Σε αυτή την διάταξη απαιτείται ορθή πόλωση της ένωσης εκπομπού - βάσης (E) και ταυτόχρονα ανάστροφη πόλωση της ένωσης συλλέκτη - βάσης () ενώ το σήμα εισόδου εισέρχεται από την βάση και το σήμα εξόδου λαμβάνεται από τον συλλέκτη. Αυτές οι πολώσεις και τα αντίστοιχα ρεύματα φαίνονται στα σχήματα. Σύμφωνα με το νόμο Kirchoff I = I I E Κατά την ορθή πόλωση transistor τύπου npn το μεγαλύτερο ποσοστό (~ 99 %) του ρεύματος I E προέρχεται από τον συλλέκτη (ρεύμα I ) ενώ το μικρότερο (~ 1 %) προέρχεται από την βάση ( ). I I E E n p n I I I n p I n E I E 13
ontrol Systems Laboratory Σύνδεση κοινού εκποµπού συνεχ. Ισχύουν οι σχέσεις I V = V V E E V = V I R V = V V E E V I R V I E V V E R V I I = V V = V R V R E E 14
ontrol Systems Laboratory Καµπύλη Βάσης I Η καμπύλη μεταξύ ρεύματος βάσης και τάσης βάσης εκπομπού είναι παρόμοια με αυτή της διόδου, πράγμα αναμενόμενο λόγω της σύνδεσης pn. Αν και αυτή η καμπύλη εξαρτάται από την τάση συλλέκτη εκπομπού, αυτή η εξάρτηση είναι αμελητέα (φαινόμενο Early). Λόγω της ορθής πόλωσης της ένωσης E είναι προφανές ότι V (για transistor πυριτίου). = 0. 7 E V Με ικανοποιητικότατη ακρίβεια στην ανάλυση κυκλωμάτων, μπορεί η παραπάνω καμπύλη μεταξύ ρεύματος βάσης και τάσης βάσης εκπομπού να προσεγγισθεί από αυτή της διόδου πηγής. Η περιοχή VE < 0.7V όπου I 0 λέγεται περιοχή αποκοπής. V I αποκοπή { I V R I E 0.7 V h ie = R V V E dv di E V E V 15
Καµπύλες Συλλέκτη I ontrol Systems Laboratory Η σχέση μεταξύ και δίδεται στο σχήμα για μία δεδομένη τιμή της VE (οι καμπύλες μεταβάλλονται παραμετρικά ως προς το VE ) όπου το κέρδος ρεύματος είναι! dc = I c I = h FE " 20 200 και είναι προσεγγιστικά σταθερό για ένα σημαντικό τμήμα του εύρους μεταβολής του I αν και προφανώς δεν είναι (δηλαδή, hfe μεταβάλλεται ελαφρά) γιατί hfe hfe. Η σχέση μεταξύ ρευμάτων συλλέκτη και εκπομπού είναι! dc = h F = I c I E = " dc ( 1 " dc ) # 0.95 0.99 < 1 Η σχέση μεταξύ I και VE δίδεται από μία οικογένεια καμπυλών με παράμετρο το Η περιοχή I = 0είναι η περιοχή αποκοπής και αντιστοιχεί σε I << (τάξη na). I I β I I = h I = const. dc FE Σε κάθε καμπύλη που αντιστοιχεί σε κάποιο, κατά το αρχικό τμήμα ανύψωσης η δίοδος του συλλέκτη δεν είναι ανάστροφα πολωμένη και ονομάζεται περιοχή κόρου. Οι περιοχές κόρου και αποκοπής χρησιμοποιούνται σε ψηφιακά κυκλώματα. Η περιοχή κατάρρευσης είναι η περιοχή I Ενεργός τελικής ανύψωσης όπου ουσιαστικά το JT καταστρέφεται. Η σπουδαιότερη περιοχή είναι η ενεργός περιοχή, δηλαδή αυτή μεταξύ κόρου και κατάρρευσης γιατί που ουσιαστικά αντιπροσωπεύει την κανονική λειτουργία. Εκεί οι καμπύλες είναι σχεδόν ευθείες και Κόρου παρουσιάζουν μικρή κλίση. αποκοπής 16 I I I = 0 di di I = β ac I V E Κατάρρευσης
Καμπύλες Transistor I I I R I V V αποκοπή h ie = dv di E V R I E V E V h fe di di = β ac { 0.7 V β I I = h dc FE I V E I (max) I I Ενεργός P D(max) I = const. Κόρου 0.7 V αποκοπής I = 0 V E Κατάρρευσης V E(max) 17 Σελ.28
V Ασκηση: Ανάλυση Κυκλώματος Transistor I 22 kω 5 V I R V I E V V E R β D =100 1 kω V I (max) I Κόρου 0.7 V I I = const. αποκοπής Για V =22 V να ευρεθούν τα I, I, I E, V E, V E και V. Ενεργός I = 0 P D(max) V E Κατάρρευσης V E(max) Για προδιαγραφές: P D(max) =800 mw, V E(max) =15 V και I (max) =100 ma να ευρεθεί η μέγιστη τιμή που μπορούμε να ρυθμίσουμε την V για να μην υπερβούμε τις προδιαγραφές (δηλ. για να παραμείνουμε στην ενεργό περιοχή). Ποιά προδιαγραφή θα υπερβούμε πρώτη? Λύση: έχουμε V VE 5V 0.7 V I = = = 195 µ A I = β DI = ( 100)( 195 µ A) = 19.5 ma R 22 kω Επομένως I < I( max). Επίσης IE = I I = 19.5 ma 195 µ A= 19.695 ma Η πτώση τάσης στην R είναι: V = I R = 19.5 ma 1 kω = 19.5V R ( )( ) 18
V Ασκηση: Ανάλυση Κυκλώματος Transistor I 22 kω 5 V I R V I E V V E R β D =100 1 kω V I (max) I Κόρου I I = const. αποκοπής Ενεργός I = 0 P D(max) V E Κατάρρευσης V E(max) 0.7 V Επειδή: VE = V VR = V 19.5 V Αρα, V = 22V VE = 22V 19.5V = 2.5V και Επειδή V = V! "V E = 2.5V " 0.7 V = 1.8V V = V V = V 19.5V V = V 19.5V E R E V ( ) = V ( ) 19.5V = 15V 19.5V = 34.5V max E max Αναφορικά με το «Ποιά προδιαγραφή θα υπερβούμε πρώτη»: Παρατηρείστε ότι PD PD PD = VEI = ( V VR ) I 19.5 V = VR = V I 19.5 ma PD ( max) 800 mw V ( ) = 19.5V = 19.5V ; 60.526V max 19.5 ma 19.5 ma Αρα πρώτη θα υπερβούμε την V E(max) όταν η V γίνει 34.5 V. 19
Μοντέλα Προσέγγισης Transistor ontrol Systems Laboratory VE dc I VE E - - ( ) α' προσέγγιση: Ιδανικό Transistor Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης- εκπομπού λαμβάνεται ως ιδανική και το ρεύμα συλλέκτη δίδεται από την σχέση I = β I dc I αποκοπή { 0.7 V h ie dv = di E I Κόρου V E αποκοπής Ενεργός I I = const. I = 0 V E Κατάρρευσης 20
ontrol Systems Laboratory Μοντέλα Προσέγγισης Transistor συνεχ. E VE dc I VE - - ( ) β' προσέγγιση: Είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη προσέγγιση. Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης- εκπομπού λαμβάνεται ως δίοδος πηγή και κατά συνέπεια VE ( V ) = β I = const =0.7 για πυριτιο I dc 21 I 0.7V V E I ( ) ( ) V E
ontrol Systems Laboratory Μοντέλα Προσέγγισης Transistor συνεχ. γ' προσέγγιση: Χρησιμοποιείται όταν είναι απαραίτητη σημαντική ακρίβεια. Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης- εκπομπού λαμβάνεται ως δίοδος πηγή με αντίσταση σώματος r emit και κατά συνέπεια η τάση V E δεν είναι σταθερή V = V I r V =0.7 V για πυριτιο E b E b emit ( ) Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης- συλλέκτη έχει μία αντίσταση σώματος r coll που επηρεάζει μόνο την περιοχή κόρου και όχι την ενεργό περιοχή, δηλαδή για κάποιο ρεύμα βάσης I επειδή ο κόρος ισχύει όσο I < β I sat τότε στην περιοχή του κόρου ισχύει V = I r E sat sat coll dc V E - 22 I E 0.7V µ dc E ( ) V E I r coll ( ) ( ) I V - V E
ontrol Systems Laboratory Χαρακτηριστικά Transistor Ορισμένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία που δίδονται από τον κατασκευαστή είναι : οι ανάστροφες τάσεις κατάρρευσης V max : συλλέκτη βάσης, V E 0max : συλλέκτη εκπομπού με ανοικτή βάση και : εκπομπού βάσης V Emax το μέγιστο D ρεύμα συλλέκτη ( ) και η μέγιστη ισχύς της διάταξης ( PD = VE I), που μπορεί να δίδεται για διάφορες θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Πρέπει να τονισθεί ότι το κέρδος ρεύματος β dc = hfe εξαρτάται τόσο από το ρεύμα συλλέκτη όσο και από την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ακόμα και για συγκεκριμένες τιμές ρεύματος συλλέκτη και θερμοκρασίας περιβάλλοντος, για δύο transistor του ιδίου τύπου το κέρδος μπορεί να διαφέρει σημαντικά και τυχαία με κάποιες μέγιστες και ελάχιστες τιμές που δίδονται από τον κατασκευαστή. I h fe di di β I I = h FE I I max V max V E 0max V Emax I max P Dmax [ma] = 60 V 0.1 40 -- = 40V 1 70 -- = 6 V 10 100 300 = 200 ma 50 60 -- = 250 mw (25 o ) 100 30 -- 23 I h FE min h FEmax