Ηλεκτρονική Μάθημα ΙV Διπολικά τρανζίστορ Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Ε.ΔΙ.Π. Μηχανικών Δρ. Αθανάσιος Παραγωγής Ψωμούλης και Διοίκησης, Δ.Π.Θ. Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ.
Διπολικό τρανζίστορ [Bipolar Junction Transistor (BJT)] Το πρώτο τρανζίστορ κατασκευάστηκε στα Bell Laboratories (Δεκ. 1947) Από τους William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain Βασικές λειτουργίες: ενισχυτής ηλεκτρικού σήματος, διακόπτης
Διπολικό τρανζίστορ Διπολικό γιατί χρησιμοποιεί ηλεκτρόνια () και οπές () ως φορείς του ρεύματος npn τρανζίστορ: έντονα εμπλουτισμένη περιοχή ημιαγωγού τύπουn στενή έλαφρά εμπλουτισμένη περιοχή ημιαγωγού τύπουp μέτρια εμπλουτισμένη περιοχή ημιαγωγού τύπουn
Διπολικό τρανζίστορ εκπομπός Περιοχή απογύμνωσης Περιοχή απογύμνωσης συλλέκτης βάση Αναπαράσταση διπολικού τρανζίστορ χωρίς πόλωση
Πόλωση διπολικού τρανζίστορ εκπομπός ηλεκτρόνια συλλέκτης σύζευξη οπές βάση VBE VCB VCE
Πόλωση Διπολικού Τρανζίστορ για λειτουργία στην ενεργό περιοχή Ορθή πόλωση της επαφής Βάσης Εκπομπού και ανάστροφη πόλωση της επαφής ΒάσηςΣυλλέκτη: 1. Ηλεκτρόνια εισέρχονται από τα αρνητικά άκρα των πηγών τάσης στο άκρο του εκπομπού (nπεριοχή) και κινούνται μέσω αυτού ως ελεύθερα ηλεκτρόνια προς την βάση 2. Ελάχιστα από αυτά ανασυζεύγνεινται στην βάση (pπεριοχή) με οπές, καθίστανται ηλεκτρόνια σθένους και κινούμενα προς τα αριστερά εξέρχονται στον εξωτερικό αγωγό της βάσης 3. Τα περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται προς τον συλλέκτη (nπεριοχή) και εξέρχονται από το άκρο του προς το θετικό άκρο της πηγής τάσης
Διπολικό τρανζίστορ C C I C I C B I B V CE B I B V CE C Β E V BE I E V BE I E E E
Πόλωση Διπολικού Τρανζίστορ
Συνδεσμολογία BJT In Β C E Out In In C E Β Out Β C E Out V CC V CC V CC V in V out V out V out V in V in
Περιοχές λειτουργίας διπολικού τρανζίστορ Η «ενεργός περιοχή» (active region), στην οποία η επαφή εκπομπούβάσης είναι ορθά πολωμένη και η επαφή συλλέκτη βάσης είναι ανάστροφα πολωμένη. Η «περιοχή αποκοπής» (cut off region), στην οποία η επαφή εκπομπούβάσης δεν είναι ορθά πολωμένη. Η «περιοχή κορεσμού» (saturation region), στην οποία η επαφή συλλέκτηβάσης δεν είναι ανάστροφα πολωμένη. Η «ανάστροφη περιοχή» (reverse region), στην οποία η επαφή εκπομπούβάσης είναι ανάστροφα πολωμένη και η επαφή συλλέκτηβάσης είναι ορθά πολωμένη.
Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού VCB RC I C R B I B VCE VCC VBB VBE I E
Περιοχές λειτουργίας διπολικού τρανζίστορ V CE V CC Αποκοπή Ενεργός περιοχή Κορεσμός V CE_sat 0,7V 0,7V R B βr C ( V CC V CE _sat ) V BB
Καμπύλες ΙV διπολικού τρανζίστορ Ι Β (μα) Ι C (ma) 0,7 V ΒΕ (V) Ι B =150μA Ι B =125μA Ι B =100μA Ι B =75μA Ι B =50μA Ι B =25μA Ι B =0μA V CE (V) Καμπύλη IV επαφής ΒάσηςΕκπομπού (εισόδου) Καμπύλη IV επαφής ΒάσηςΣυλλέκτη (εξόδου)
Γραφική αναπαράσταση περιοχών λειτουργίας σε διάγραμμα ΙV Ι C (ma) Ι C =V CC /R c γραμμή φορτίου σημείο ηρεμίας ενεργός περιοχή περιοχή κορεσμού Q περιοχή αποκοπής περιοχή κατάρρευσης V CE (V) όταν το BJT είναι στην αποκοπή, το ρεύμα συλλέκτη είναι ΙC=0mA, επομένως VCE = VCC όταν το BJT είναι στον κορεσμό, τότε VCE = 0,2V 0V και τότε το ρεύμα είναι IC = VCC/RC.
Εξισώσεις λειτουργίας BJT RC I E = I C I B R B I B VCB I C VCE VCC V CE = V BE V CB VBB VBE I E I B > 0A V BE > 0, 7V V CE >V CE sat = I C I E V CE =const α (<1) κέρδος ρεύματος εκπομπούσυλλέκτη = I C I B V CE =const β (10<β<500) κέρδος ρεύματος βάσηςσυλλέκτη
Εξισώσεις λειτουργίας BJT RC I E = I C I B R B I B VCB I C VCE VCC I C = I E α < 1 VBB VBE I E I C = I B I C = I E sat qv BE e kt 1 ' g m V BE
Παράδειγμα Να υπολογιστεί μία τιμή για τη VBB έτσι ώστε το BJT να μην είναι στην αποκοπή. Για να μην είναι στην αποκοπή το τρανζίστορ θα πρέπει η επαφή βάσηςεκπομπού να είναι ορθά πολωμένη. Από το δεύτερο κανόνα Kirchhoff στον αριστερό βρόχο του κυκλώματος έχουμε: V BB 16kΩ I B I C VCE 2kΩ 12V VBE = VBB RB IB ή ΙΒ = 1/RΒ (VΒΕ VΒΒ) H εξίσωση αυτή αντιστοιχεί σε ευθεία γραμμή, δηλαδή στη γραμμή φορτίου πάνω στη χαρακτηριστική ΙV της επαφής βάσηςεκπομπού με κλίση 1/RB. Αντικαθιστώντας τελικά παίρνουμε: ΙΒ = 1/16kΩ (0,7V VΒΒ) > 0
Παράδειγμα Είναι προφανές ότι οι παράλληλες ευθείες που μπορούμε να χαράξουμε στο διάγραμμα ΙV είναι άπειρες, όσες και οι τιμές που μπορεί να λάβει το VBB. Στο διπλανό σχήμα έχουμε απεικονίσει τρεις ευθείες που αντιστοιχούν σε τρεις διακριτές τιμές του VBB. Η δεύτερη γραμμή φορτίου αντιστοιχεί σε VBB=0,7V που κάνει την επαφή βάσης εκπομπού να είναι ορθά πολωμένη, άρα το τρανζίστορ δεν είναι στην αποκοπή. Οποιαδήποτε γραμμή φορτίου δεξιά αυτής (σκιαγραφημένη περιοχή) κάνει το BJT να άγει. Έτσι μπορώ να επιλέξω τάση VBB=1,1V, που αντιστοιχεί σε ρεύμα βάσης ΙΒ=25μΑ. Ι Β (μα) 80 60 40 20 κλίση γραμμής φορτίου 1/R Β 0,7 1,4 V ΒΕ (V)
Παράδειγμα Το κέρδος του διπολικού τρανζίστορ του σχήματος είναι β=50. Να υπολογίσετε τις τρεις παραμέτρους που περιγράφουν τη συμπεριφορά του, δηλαδή τα ρεύματα βάσης και συλλέκτη και την τάση συλλέκτηεκπομπού. Στη συνέχεια να εκτιμήσετε σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ. 10kΩ Από το βρόχο που περιλαμβάνει τη βάση έχουμε σύμφωνα με το δεύτερο κανόνα Kirchhoff ότι: 3,3V = IB 100kΩ VBE ή 100kΩ I B I C VCE 15V ΙΒ = (3,3V 0,7V)/100kΩ = 26μΑ 3,3V Υποθέτουμε ότι το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή άρα το ρεύμα συλλέκτη είναι: ΙC = 50 26μΑ = 1,3mA. Σύμφωνα με το δεύτερο κανόνα Kirchhoff στο δεξί βρόχο του κυκλώματος είναι: 15V = VCE IC 10kΩ ή VCE = 15V 1,3mA 10kΩ = 2V. Επομένως η υπόθεσή μας είναι ορθή, το τρανζίστορ βρίσκεται στην ενεργό περιοχή και οι παράμετροι είναι: ΙΒ = 26μΑ, ΙC = 1,3mA και VCE = 2V.
Παράδειγμα Το κέρδος του διπολικού τρανζίστορ του σχήματος είναι β=50. Να υπολογίσετε τις τρεις παραμέτρους που περιγράφουν τη συμπεριφορά του, δηλαδή τα ρεύματα βάσης και συλλέκτη και την τάση συλλέκτηεκπομπού. Στη συνέχεια να εκτιμήσετε σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ. 10kΩ Από το βρόχο που περιλαμβάνει τη βάση έχουμε σύμφωνα με το δεύτερο κανόνα Kirchhoff ότι: 100kΩ I B I C VCE 12V 12V = IB 100kΩ VBE ή ΙΒ = (12V 0,7V)/100kΩ = 113μΑ 12V Υποθέτουμε ότι το BJT λειτουργεί στην ενεργό περιοχή άρα το ρεύμα συλλέκτη είναι: ΙC = 50 113μΑ = 5,65mA. Σύμφωνα με το δεύτερο κανόνα Kirchhoff στο δεξί βρόχο του κυκλώματος πρέπει να είναι: 12V = VCE IC 10kΩ ή VCE = 12V 5,65mA 10kΩ = 44,5V Σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε για τη VCE αυτό δεν μπορεί να συμβαίνει, άρα η υπόθεσή μας ήταν λανθασμένη.
Παράδειγμα Η εκτίμηση μας για τη VCE βασίστηκε στην υπόθεση ότι το ρεύμα συλλέκτη είναι 5,65mA, η οποία με τη σειρά της βασίστηκε στην υπόθεση ότι το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή. Αφού καταλήξαμε σε κάτι άτοπο σημαίνει ότι το τρανζίστορ δε λειτουργεί στην ενεργό περιοχή. Επειδή όμως υπάρχει ρεύμα βάσης, που το έχουμε υπολογίσει δεν είναι ούτε στην αποκοπή. Άρα το τρανζίστορ βρίσκεται σε κατάσταση κορεσμού. Σύμφωνα με όσα έχουμε πει παραπάνω, στον κορεσμό το ρεύμα συλλέκτη εξαρτάται από τα εξωτερικά στοιχεία του κυκλώματος και όχι από το ίδιο το BJT. Ας κάνουμε ξανά την ανάλυση λαμβάνοντας υπόψη ότι η τάση κορεσμού συλλέκτηεκπομπού είναι VCE_sat=0,2V (αυτό αληθεύει για πολλά, αλλά όχι για όλα τα διπολικά τρανζίστορ, μια πιο χονδροειδής προσέγγιση είναι να θεωρήσουμε το την τάση κορεσμού VCE_sat=0V γενικά θα πρέπει να καταφεύγει κανείς στα φύλλα προδιαγραφών της συσκευής). Σύμφωνα λοιπόν ξανά με το δεύτερο κανόνα Kirchhoff στο δεξί βρόχο του κυκλώματος πρέπει να είναι: 12V = VCE_sat IC_sat 10kΩ ή ΙC_sat = (12V 0,2V)/10kΩ = 1,18mA Το παρόν παράδειγμα αποτελεί εφαρμογή του κανόνα 10:1, όπου όταν η τάση συλλέκτη και βάσης είναι ίδιες (συνήθως λαμβάνονται από την κοινή γραμμή τροφοδοσίας), τότε αν ο λόγος των αντιστάσεων συλλέκτη προς βάσης είναι περίπου 1:10, το τρανζίστορ είναι στην περιοχή κορεσμού.
Παράδειγμα
Παράδειγμα
Παράδειγμα Στο παρακάτω σχήμα το κέρδος του διπολικού τρανζίστορ είναι β=125. Το σήμα εισόδου στη βάση μεταβάλλεται, όπως φαίνεται στο διπλανό διάγραμμα μεταξύ 0V και 5V. Vin 5V Να υπολογίσετε τις τρεις παραμέτρους που περιγράφουν τη συμπεριφορά του, δηλαδή τα ρεύματα βάσης και συλλέκτη και την τάση συλλέκτηεκπομπού. Στη συνέχεια να εκτιμήσετε σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται του τρανζίστορ για κάθε μία από τις δύο καταστάσεις εισόδου. Vin 50kΩ 0,7kΩ I B VCE Vout I C t 5V
Παράδειγμα Το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη που μπορεί να περάσει στον κορεσμό είναι: ΙC_sat = (5V 0,2V)/0,7kΩ = 6,86mA. Επίσης γνωρίζουμε ότι στον κορεσμό δεν ισχύει ο γραμμικός κανόνας και επομένως: ΙΒ_sat >> ΙC_sat/β = 6,86mΑ/125 = 54,86μΑ Ας θεωρήσουμε την περίπτωση όπου Vin=0V. Αυτό σημαίνει ότι του ρεύμα βάσης θα είναι: ΙΒ = 0μΑ Επομένως το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση αποκοπής. Στην κατάσταση αυτή το τρανζίστορ λειτουργεί σαν ανοικτός διακόπτης και επομένως αφενός το ρεύμα συλλέκτη είναι IC=0mΑ και η πτώση τάσης στην αντίσταση 0,7kΩ είναι μηδέν, αφετέρου δεν υπάρχει αγώγιμο μονοπάτι μεταξύ τάσης εξόδου και γείωσης. Επομένως η τάση στην έξοδο θα είναι Vout = 5V (0mA 0,7kΩ) = 5V.
Παράδειγμα Ας θεωρήσουμε την περίπτωση όπου Vin=5V. Υπολογίζουμε το ρεύμα βάσης εφαρμόζοντας το δεύτερο κανόνα Kirchhoff στον αριστερό βρόχο: Vin = IB 50kΩ VBE ή IB = (5V0,7V)/50kΩ = 86μΑ Το ρεύμα αυτό είναι μεγαλύτερο από το όριο των 54,86μΑ που υπολογίσαμε παραπάνω. Επομένως το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση κορεσμού, δηλαδή λειτουργεί ως κλειστός διακόπτης και η τάση στην έξοδο είναι όσο η τάση συλλέκτη εκπομπού, δηλαδή: Vout = 0,2V
Παράδειγμα Στο κύκλωμα του σχήματος παρουσιάζεται μία συνδεσμολογία κοινού εκπομπού με VCC = 12V και RC = 2kΩ. Για να σχεδιάσουμε τη γραμμή φορτίου υπολογίζουμε τα δύο σημεία που αναφέραμε: R B I B I C VCE 2kΩ 12V Στην αποκοπή έχουμε VCE = 12V και στον κορεσμό, IC = 12V/2kΩ = 6mA. V ΒΒ Στο διπλανό σχήμα παρουσιάζεται η γραμμή φορτίου που προκύπτει από τα δύο αυτά σημεία, δηλαδή τα (0,6) και (12, 0). Ι C (ma) 6mA Ι B =125μA Ι B =100μA Ι B =75μA Ι B =50μA 12V Ι B =25μA Ι B =0μA V CE (V)
Παράδειγμα Στο ίδιο κύκλωμα έστω ότι η αντίσταση πόλωσης της βάσης είναι RΒ=160kΩ και το κέρδος του διπολικού τρανζίστορ β=50. Να υπολογιστεί το σημείο ηρεμίας. Γενικά, το σημείο ηρεμίας ενός τέτοιου κυκλώματος υπολογίζεται όταν στη βάση έχουμε μόνο dc σήμα, όπως εδώ (VBB=12V), έτσι ώστε να «κάθεται» περίπου στη μέση της γραμμής φορτίου, δηλαδή για τάση VCE μεταξύ κορεσμού (VCE_sat=0,2V) και αποκοπής (VCΕ_cutoff=VCC), δηλαδή για VCE= VCC/2. Επιλέγοντας το σημείο λειτουργίας εκεί 12V επιτυγχάνουμε ταυτόχρονα το μεγαλύτερο δυνατό εύρος, αφού μπορούμε να κινηθούμε αριστερά και δεξιά του σημείου ηρεμίας σε ίσες αποστάσεις, θεωρητικά μέχρι VCC/2 προς κάθε κατεύθυνση πάνω στον οριζόντιο άξονα. Επιπλέον πετυχαίνουμε πολύ καλή γραμμικότητα στο κύκλωμα ενίσχυσης, αφού παρατηρούμε ότι στο σημείο αυτό και κοντά στην περιοχή αυτή οι διάφορες καμπύλες που αντιστοιχούν στα διαφορετικά ρεύματα βάσης ισαπέχουν περίπου η μία από την άλλη, κάτι που σημαίνει ότι ενώ το σημείο Q μετακινείται με την παρουσία ενός ac σήματος, οι αναλογίες ρευμάτων και τάσεων δεν μεταβάλλονται. 160kΩ I B I C VCE 2kΩ 12V
Επομένως το ρεύμα συλλέκτη στην ηρεμία είναι: ΙC_Q = VCC/2RC = 3mA Παράδειγμα Η τιμή του σημείου ηρεμίας λοιπόν καθορίζεται από την τιμή του ρεύματος βάσης και συγκεκριμένα είναι το σημείο τομής της χαρακτηριστικής για το συγκεκριμένο ΙΒ με τη γραμμή φορτίου. Επειδή το ρεύμα συλλέκτη ΙC σχετίζεται γραμμικά με το ρεύμα βάσης ΙΒ, θα έχουμε: ΙΒ = 3mA/50 = 60μΑ Στις χαρακτηριστικές ΙV παρατηρούμε ότι δεν υπάρχει χαραγμένη χαρακτηριστική για ΙΒ=60μΑ, αυτό όμως δεν μας ενοχλεί με βάση τα όσα αναφέραμε παραπάνω περί γραμμικότητας μπορούμε με ασφάλεια να υποθέσουμε ότι το σημείο Q μπορεί να υπολογιστεί με γραμμική παρεμβολή μεταξύ των γραμμών ΙΒ=50μΑ και ΙΒ=75μΑ. Ι C (ma) 6mA κλίση γραμμής φορτίου 1/R C Q Ι B =125μA Ι B =100μA Ι B =75μA Ι B =50μA Ι B =25μA Ι B =0μA 12V V CE (V)
Επιλογή σημείου ηρεμίας Ι C (ma) Ι Β_max Ι Β_Q Ι Β_min Ι C_max Ι C_Q Ι C_min Μ Q Ν Ι B =125μA Ι B =100μA Ι B =75μA Ι B =50μA Ι B =25μA Ι B =0μA V CE (V) V CE_min V CE_Q V CE_max
Κυκλωματικά μοντέλα BJT στην ενεργό περιοχή λειτουργίας C C I C =βi B I C =βi B B I B V CΕ B I B V CΕ V ΒΕ =0V Ιδανική δίοδος V ΒΕ =0,7V E E ιδανική δίοδος πραγματική δίοδος
Ασφαλής λειτουργία BJT Ι C (ma) P D max >V CE I C V CE (V) Σκιαγραφημένη περιοχή ασφαλής περιοχή λειτουργίας
Προδιαγραφές λειτουργίας διπολικού τρανζίστορ VCEO: η μέγιστη τάση συλλέκτηεκπομπού με ανοικτοκυκλωμένη της βάση 400 VCBO: η μέγιστη τάση συλλέκτηβάσης με ανοικτοκυκλωμένο τον εκπομπό h FE 200 100 125 o C 25 o C 55 o C VCE =5V VEBO: η μέγιστη τάση εκπομπούβάσης με ανοικτοκυκλωμένο το συλλέκτη 50 1 5 10 50 100 200 IC (ma) hfe: το κέρδος ρέυματος β
Πόλωση βάσης V C = V CC V E =0V I C R C = V out V CC V CE = V C V E = V C R Β R C V B = V BE =0, 7V I B = V CC V B = V CC 0, 7V R B R B V in B C E V out I C = I B I E =( 1)I B Το ρεύμα βάσης IB είναι σταθερό για δεδομένη τιμή της τάσης τροφοδοσίας VCC Το σημείο λειτουργίας εξαρτάται από το κέρδος β Μεταβολή του κέρδους β επιφέρει μεταβολή του ρεύματος (IC) και της τάσης (VC) συλλέκτη και κατ επέκταση και του σημείου λειτουργίας Q
Παράδειγμα Για το κύκλωμα του σχήματος να υπολογιστεί η αντίσταση πόλωσης της βάσης RB, έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας του κυκλώματος να είναι όπως στο διάγραμμα. Σκοπός κάθε κυκλώματος πόλωσης είναι να λειτουργεί σε ένα επιλεγμένο προκαθορισμένο σημείο λειτουργίας. Το διάγραμμα με τη γραμμή φορτίου μας δίνει πολλά στοιχεία για το κύκλωμα. Συγκεκριμένα στο διάγραμμα μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η τάση τροφοδοσίας είναι VCC=20V. Επιπλέον, μπορούμε να εξάγουμε την τιμή για την αντίσταση στο συλλέκτη. Συγκεκριμένα όταν VCΕ=0V, τότε και VC=0V και επομένως: V in R Β B C E V CC R C V out RC = VCC/IC = 20V/10mA = 2kΩ. Επίσης από το διάγραμμα παρατηρούμε ότι στο σημείο ηρεμίας οι τιμές των τριών παραμέτρων του BJT είναι ως εξής: VCE_Q = 10V, IC_Q = 5mA και ΙΒ_Q = 80μΑ. Ι C (ma) 10mA 5mA Q Ι B =125μA Ι B =100μA Ι B =75μA Ι B =50μA Για να υπολογίσω λοιπόν την αντίσταση RB : RΒ = (20V0,7V)/80μΑ = 241,25kΩ. 10V 20V Ι B =25μA Ι B =0μA V CE (V)
Πόλωση βάσης με ανάδραση από τον εκπομπό V C = V CC I C R C = V out V CC V E = I E R E V CE = V C I B = V CC R B V E V B V in R Β B C E R C V out I C = I B I E =( 1)I B R Ε Η αντίσταση RE περιορίζει το ρεύμα συλλέκτη IC (αρνητική ανάδραση): Αύξηση του IC συνεπάγεται αύξηση του IE και συνεπώς της τάσης VE Αύξηση της VE επιφέρει μείωση της VBE δεδομένου ότι η VB είναι σταθερή για δεδομένη τιμή της τάσης τροφοδοσίας VCC Μείωση της VBE επιφέρει μείωση του IB η οποία με τη σειρά της επιφέρει μείωση του IC
Πόλωση συλλέκτη V C = V CC V E =0V V CE = V C (I C I B )R C = V out V E = V C V CC R C I B = V C R B V B I C = I B I E =( 1)I B V in R Β B C E V out Η αντίσταση πόλωσης της βάσης RB συνδέεται στο συλλέκτη (αρνητική ανάδραση): Αύξηση του IC συνεπάγεται μείωση της τάσης συλλέκτη VC Μείωση της VC επιφέρει μείωση του ρεύματος ΙB η οποία με τη σειρά της επιφέρει μείωση του IC
Παράδειγμα Nα υπολογιστεί η αντίσταση πόλωσης της βάσης RB στο διπλανό κύκλωμα, έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας του να είναι όπως στο διάγραμμα. V CC R C Παρατηρώντας το διάγραμμα η τάση τροφοδοσίας είναι VCC=20V, RC=2kΩ, VCE_Q=10V, IC_Q=5mA και ΙΒ_Q=80μΑ. V in R Β B C E V out Για να υπολογίσω λοιπόν την αντίσταση RB χρησιμοποιώ τη σχέση: VC= VCE= VCE_Q=10V, από όπου: RΒ=(10V0,7V)/80μΑ = 117,5kΩ. Ι C (ma) 10mA 5mA 10V Q 20V Ι B =125μA Ι B =100μA Ι B =75μA Ι B =50μA Ι B =25μA Ι B =0μA V CE (V)
Πόλωση με διαιρέτη τάσης V C = V CC I C R C = V out V CC V E = I E R E R Β1 R C V CE = V C V E V B = V BE V E = V CC R B2 R B1 R B2 V in B C E V out Αύξηση του IC συνεπάγεται αύξηση του IE και συνεπώς της τάσης VE Αύξηση της VE επιφέρει μείωση της VBE δεδομένου ότι η VB είναι σταθεροποιημένη από το διαιρέτη τάσης R Β2 R Ε Μείωση της VBE επιφέρει μείωση του IB η οποία με τη σειρά της επιφέρει μείωση του IC Το κύκλωμα αυτό αποτελεί την πλέον χρησιμοποιούμενη μέθοδο πόλωσης, δεδομένου ότι είναι ανεξάρτητο της τιμής κέρδους β, καθώς οι τάσεις βάσης, συλλέκτη και εκπομπού εξαρτώνται όλες από εξωτερικά στοιχεία Όταν πρόκειται για ενισχυτές χρειαζόμαστε κυκλώματα των οποίων το σημείο λειτουργίας Q είναι σταθερό σε μεταβολές του κέρδους ρεύματος
Παράδειγμα Για το κύκλωμα στο διπλανό σχήμα να υπολογιστούν το ρεύμα συλλέκτη (IC) και η τάση συλλέκτηεκπομπού (VCE).
Το τρανζίστορ ως διακόπτης Στην κατάσταση «ανοικτός» διακόπτης (switch off) το BJT δεν άγει δηλαδή βρίσκεται περιοχή αποκοπής. Οι συνθήκες λειτουργίας που έχουμε αναφέρει λοιπόν σε αυτή την κατάσταση είναι ΙΒ=0Α, ΙC=0Α και η VCE είναι μέγιστη (στα απλά κυκλώματα που εξετάσαμε ίση με την τάση τροφοδοσίας). Ι C (ma) ΟΝ Στην κατάσταση «κλειστός» διακόπτης (switch on) το BJT άγει και βρίσκεται περιοχή κορεσμού. Το τρανζίστορ είναι πολωμένο έτσι ώστε να εφαρμόζεται στη βάση το μέγιστο δυνατό ρεύμα ΙΒ και στο συλλέκτη να έχουμε το μέγιστο δυνατό IC, με αποτέλεσμα η τάση VCE να είναι η ελάχιστη (όπως έχουμε πει συνήθως VCE_sat=0,2V). ΟFF V CE (V)
Χρήση BJT ως διακόπτης για έναρξη και σταμάτημα κινητήρα M R B VCC 0V VBB
Παράδειγμα Στο διπλανό σχήμα το διπολικό τρανζίστορ οδηγεί μία LED σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. Στο κύκλωμα αυτό το BJT ανάβει τη LED όταν ο παλμός στην βάση του είναι 1V ενώ σβήνει τη LED όταν ο παλμός είναι 0V. Το κέρδος του τρανζίστορ είναι β=50 και η τάση κορεσμού VCE_sat=0,2V. Έστω ότι η LED είναι μια κοινή κόκκινη LED με τάση πρόσω πόλωσης 2,2V και μέγιστο ρεύμα 20mA. Η αντίσταση 500Ω προστατεύει τη LED να μην καεί και το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να περάσει από τη LED σε αυτό το κύκλωμα είναι όταν το τρανζίστορ είναι στην κορεσμό, επομένως το ρεύμα κορεσμού υπολογίζεται στα άκρα της αντίστασης και είναι: 10V 500Ω ΙC_sat = (VCC VLED VCE_sat)/500Ω = (10V 2,2V 0,2V)/500Ω = 15,2mA το οποίο είναι αρκετά μικρότερο από το ρεύμα 20mA που μπορεί να καταστρέψει τη LED. 1V 0V VBB 500Ω B C E Επιλέγοντας μία αντίσταση βάσης επίσης 500Ω, το ρεύμα βάσης όταν θέλουμε το διακόπτη κλειστό, δηλαδή VBB = 1V, είναι: ΙΒ = (VBB VBE)/RB = (1V 0,7V)/500Ω = 600μΑ Αν υποθέσουμε γραμμική λειτουργία θα πρέπει το ρεύμα συλλέκτη να είναι 50 600μΑ = 30mA, το οποίο είναι πολύ μεγαλύτερο από το μέγιστο ρεύμα 15,2mA που υπολογίσαμε, άρα το τρανζίστορ με αντίσταση βάσης 500Ω είναι σίγουρα στον κορεσμό. Για το διακόπτη ανοικτό τα πράγματα είναι πολύ ποιο εύκολα, αφού VBB = 0V επομένως και ΙΒ = 0μΑ, δηλαδή ΙC = 0mA και επομένως η LED δεν άγει.
Ακόλουθος εκπομπού V C = V CC = V CE I E R E V E = I E R E = V out V B =0, 7V V E I B = V BB 0, 7V V E R B I C = I B I E =( 1)I B VBB R B I B VCB VBE VCE RΕ I E I C VCC Το κύκλωμα αυτό χρησιμοποιείται συνήθως ως απομονωτής (buffer) τάσης (π.χ. σε πηγές τάσης) λόγω των εξής χαρακτηριστικών του: Η έξοδος του ακολουθεί την είσοδό του Η αντίσταση του είναι πολύ χαμηλή
Σταθεροποιητής τάσης V CC V out = V Z V BE = V Z 0, 7V R S B C DZ E R L V out
Το ζεύγος Darlington Darlington = Q1 Q1 Q 1 Q 2
Παράδειγμα Στο διπλανό σχήμα τα δύο τρανζίστορ Q1 και Q2 έχουν το ίδιο κέρδος β=50. Να υπολογιστούν οι αντιστάσεις RB1 και RB2 ώστε ο ενισχυτής να είναι πολωμένος για ρεύμα συλλέκτη ΙC=10mA. Το κύκλωμα του σχήματος δεν είναι παρά κύκλωμα πόλωσης με διαιρέτη τάση. Χωρίς να εισάγουμε σημαντικό σφάλμα στους υπολογισμούς μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το ρεύμα εκπομπού του ζεύγους είναι ΙΕ ΙC=10mA. Αυτή την παραδοχή μπορούμε να την κάνουμε με ασφάλεια σε πολλούς υπολογισμούς σε κυκλώματα που έχουν τρανζίστορ επειδή β>>1 και συνεπώς β β1. V in R Β1 Q 1 20V 910Ω Η τάση στον εκπομπό θα είναι όση η πτώση τάσης στην αντίσταση 100Ω, δηλαδή: Q 2 VΕ = ΙΕ 100Ω = 10mA 100Ω = 1V R Β2 100Ω Καθώς και για τα δύο τρανζίστορ η τάση VBE είναι 0,7V η τάση στη βάση του ζεύγους είναι: VB = VE VBE1 VBE2 = 1V 0,7V 0,7V = 2,4V
Παράδειγμα Το ρεύμα βάσης του τρανζίστορ Q2 είναι: ΙΒ2 = ΙC/β = 10mA/50 = 200μΑ συνεπώς το ρεύμα βάσης του τρανζίστορ Q1 είναι: 20V ΙΒ1 = ΙΒ2/β = 200μA/50 = 4μΑ Για να έχουμε καλή ευστάθεια στην πόλωση θεωρούμε ότι: R Β1 910Ω ΙRB2 = 5 IB1 = 20μΑ V in Q 1 σε αυτή την περίπτωση η αντίσταση R2 είναι: Q 2 RB2 = VB/ΙRB2 = 2,4V/20μΑ = 120kΩ και αντίστοιχα η RB1 είναι: RB1 = (VCCVB)/(ΙRB2 ΙB1)= (20V2,4V)/(20μΑ4μΑ) = 733,33kΩ R Β2 100Ω
Φωτοτρανζίστορ C B E
Συνδεσμολογία φωτοτρανζίστορ V CC V CC B C R L E B C V out V out E R L V CC R L R B B C V out I B E
Ερωτήσεις Γιατί το τρανζίστορ θεωρείται η σπουδαιότερη εφεύρεση του 20ου αιώνα; Πώς ονομάζονται οι ακροδέκτες ενός διπολικού τρανζίστορ; Πώς κατασκευάζεται ένα διπολικό τρανζίστορ και ποιοι δύο τύποι είναι δυνατόν να κατασκευαστούν; Σε ένα διπολικό τρανζίστορ, με δεδομένο πως ο συλλέκτης και ο εκπομπός είναι φτιαγμένοι από το ίδιο υλικό και τοποθετημένοι συμμετρικά ως προς τη βάση, θα μπορούσε ο συλλέκτης να παίξει το ρόλο του εκπομπού και ο εκπομπός του συλλέκτη; Αν ναι, πώς ονομάζεται η κατάσταση αυτή; Αν όχι γιατί; Σε ένα διπολικό τρανζίστορ να περιγράψετε τα φαινόμενα που συμβαίνουν όταν θέσουμε τάση μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού και αρχίζουμε να αυξάνουμε την τάση βάσηςεκπομπού. Ποιες είναι οι περιοχές λειτουργίας ενός διπολικού τρανζίστορ; Με ποιους τρεις τρόπους συνδέουμε συνήθως ένα διπολικό τρανζίστορ; Όταν το ρεύμα βάσης είναι μηδέν σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ; Όταν η τάση VCE < VCE_sat σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ; Καθεμιά από τις καμπύλες στην οικογένεια καμπυλών ΙV ενός τρανζίστορ βάση ποιου μεγέθους διακρίνεται;
Ερωτήσεις Τι είναι τα κέρδη α και β ενός τρανζίστορ; Πώς επιτυγχάνεται ενίσχυση ρεύματος μέσω ενός τρανζίστορ; Τι είναι η γραμμή φορτίου; Τι είναι το σημείο ηρεμίας; Να σχεδιάσετε την οικογένεια καμπυλών IV για ένα διπολικό τρανζίστορ και να οριοθετήσετε τις περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ πάνω στο διάγραμμα. Τι θα συμβεί στο σήμα εξόδου αν το σήμα εισόδου ξεφύγει από τα όρια στα οποία το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή; Ποια ισοδύναμα μοντέλα γνωρίζετε για το διπολικό τρανζίστορ. Να σχεδιάσετε τα ισοδύναμα κυκλώματα. Τι προκαλεί η αύξηση της θερμοκρασίας που παράγεται από την κατανάλωση ισχύος εντός του τρανζίστορ; Σε ποια επίπεδα κυμαίνεται συνήθως η εσωτερική θερμοκρασίας ενός τρανζίστορ; Ποια μεγέθη καθορίζουν την κατανάλωση ισχύος σε ένα τρανζίστορ;
Ερωτήσεις Τι είναι η τάση κατάρρευσης VCEO και τι πρέπει να προσέχει ένας σχεδιαστής; Τι ονομάζουμε κύκλωμα πόλωσης τρανζίστορ. Αναφέρατε τέσσερα γνωστά κυκλώματα πόλωσης. Πώς μπορούμε να καταστείλουμε ανεπιθύμητες αυξήσεις του ρεύματος βάσης σε ένα κύκλωμα πόλωσης διπολικού τρανζίστορ; Πώς μπορούμε να καταστείλουμε ανεπιθύμητες αυξήσεις του ρεύματος συλλέκτη σε ένα κύκλωμα πόλωσης διπολικού τρανζίστορ; Πώς πρέπει να πολωθεί ένα τρανζίστορ ώστε να λειτουργεί πάντα στην ενεργό περιοχή; Σε ποιες περιοχές του δουλεύουμε το διπολικό τρανζίστορ για να επιτύχουμε λειτουργία διακόπτη; Γιατί είναι πιο χρήσιμο να οδηγήσουμε έναν ενεργοποιητή μέσω ενός τρανζίστορ, αντί να το συνδέσουμε απευθείας με ένα κύκλωμα ελέγχου; Ποια συνδεσμολογία ονομάζουμε ακόλουθο εκπομπού και γιατί; Γιατί η συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη είναι κατάλληλη για χρήση ως απομονωτής τάσης;
Ερωτήσεις Τι είναι ζεύγος συμπληρωματικών διπολικών τρανζίστορ; Πως επιτυγχάνεται μια συνδεσμολογία ώθησηςέλξης; Τι κάνουμε για να οδηγήσουμε κινητήρα που απαιτεί υψηλό ρεύμα και διπλή πολικότητα; Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα τρανζίστορ ως πηγή ρεύματος; Ένα τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ακόλουθου εκπομπού χρησιμοποιείται ως πηγή ρεύματος. Μέχρι πόσο φορτίο μπορεί να τροφοδοτήσει, χωρίς υπάρχει μεταβολή στα χαρακτηριστικά του ως πηγή ρεύματος; Ποιο είναι το πλεονέκτημα της χρήσης ακόλουθου Zener για σταθεροποίηση τάσης, έναντι μιας απλής Zener; Ποια τα πλεονεκτήματα και ποια τα μειονεκτήματα ενός ζεύγους Darlington έναντι ενός απλού τρανζίστορ; Γιατί δε χρησιμοποιούμε συχνά ένα φωτοτρανζίστορ στην ενεργό περιοχή; Από τι εξαρτάται το ρεύμα συλλέκτη ενός φωτοτρανζίστορ; Πότε χρησιμοποιούμε τον ακροδέκτη της βάσης σε ένα φωτοτρανζίστορ;
Επιπλέον βιβλιογραφία Horowitz, P. and Hill, W., The Art of Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, New York, 1989. Maloberti, F., Understanding Microelectronics: A TopDown Approach, John Wiley and Sons, New York, 2012. Malvino, A. and Bates, D., Electronics Principles, 8th Edition, McGrawHill, New York, 2016. McWhorter, G. and Evans, A., Basic Electronics, Master Publishing, Richardson, Texas, 1994. Millman, J. and Grabel, A., Microelectronics, 2nd Edition, McGrawHill, New York, 1987. Mims, F., Engineer s MiniNotebook: Basic Semiconductor Circuits, Radio Shack Archer Catalog No. 2765013, 1986. Razavi, B., Microelectronics, 2nd Edition, John Wiley and Sons, New York, 2012. Rizzoni, G., Principles and Applications of Electrical Engineering, 5th Edition, McGrawHill, New York, 2005. Senturia, S.D. and Wedlock, B.D., Electronics Circuits and Applications, John Wiley and Sons, New York, 1975.