Πόλωση των Τρανζίστορ

Πόλωση των Τρανζίστορ Πόλωση λέμε την κατάλληλη συνεχή τάση που πρέπει να εφαρμόσουμε στο κύκλωμα που περιλαμβάνει κάποιο ηλεκτρονικό στοιχείο (π.χ τρανζίστορ), έτσι ώστε να εξασφαλίσουμε την ομαλή λειτουργία του στο συνεχές, αλλά και στην περίπτωση που θα εφαρμόσουμε και εναλλασσόμενο σήμα στην είσοδο του κυκλώματος. Για να χρησιμοποιήσουμε το τρανζίστορ σαν ενισχυτή αυτό πρέπει να λειτουργεί στην ενεργό περιοχή του και ειδικότερα σε ένα επιθυμητό σημείο της ενεργού περιοχής που ονομάζεται σημείο ηρεμίας Q. Την διαδικασία με την οποία τοποθετούμε το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ μέσα στην ενεργό περιοχή την ονομάζουμε πόλωση και γίνεται με κατάλληλο κύκλωμα που ονομάζεται κύκλωμα πόλωσης του τρανζίστορ. Κύκλωμα Πόλωσης σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης () Χαρακτηριστικά ενισχυτών σε συνδεσμολογία κοινής βάσης : Οι ενισχυτές σε συνδεσμολογία κοινής βάσης χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων (ΜΗΖ), παρουσιάζουν κέρδος τάσης Α ν 00.00, κέρδος ρεύματος Α Ι,έχουν αντίσταση εισόδου χαμηλή, η τάση του σήματος εξόδου είναι σε φάση με το σήμα εισόδου. Στη συνδεσμολογία κοινής βάσης, η βάση είναι κοινή τόσο για το κύκλωμα εισόδου όσο και εξόδου του τρανζίστορ. Το τμήμα εισόδου δηλαδή ανάμεσα στον εκπομπό και την βάση πολώνεται ορθά, το δε κύκλωμα εξόδου ανάμεσα στη T βάση και το συλλέκτη πολώνεται ανάστροφα. Σκοπός της αντίστασης είναι ρυθμίζει το ρεύμα του εκπομπού Ι Ε. Η είναι η αντίσταση φορτίου και στα άκρα της λαμβάνεται η έξοδος του σήματος. Κύκλωμα Εισόδου Αποτελείται από την πηγή, την αντίσταση και την επαφή Εκπομπού-Βάσης του τρανζίστορ που η τάση στα άκρα της είναι ίση με 0,7.. 0 Κύκλωμα εξόδου Αποτελείται από την πηγή, την αντίσταση και την επαφή Συλλέκτη-Βάσης του τρανζίστορ. Η επαφή Βάσης-Συλλέκτη είναι πολωμένη ανάστροφα.. 0. Οι παραπάνω υπολογισμοί χρειάζονται για να προσδιορίσουμε το σημείο ηρεμίας Q του τρανζίστορ. 5

Προσδιορισμός του σημείου ηρεμίας Q Στις χαρακτηριστικές καμπύλες (, ) του τρανζίστορ, που δείχνουν την μεταβολή του σαν συνάρτηση της για σταθερές τιμές του, χαράζουμε την ευθεία φόρτου. Λύνοντας την εξίσωση. ως προς έχουμε. + Η εξίσωση αυτή είναι γραμμική εξίσωση της μορφής y α.χ + β και σε άξονες y και χ παριστάνει ευθεία γραμμή. Η ευθεία αυτή γραμμή ονομάζεται ευθεία φόρτου στο συνεχές (dc). Για να χαράξουμε την ευθεία αυτή πρέπει να προσδιορίσουμε δύο σημεία της ή ένα σημείο και την κλήσης της (μαθηματικά λυκείου). (ma) 4 0 Q 5 0 5 0 5 4 ma ma ma ma 0 ma Προσδιορισμός ου σημείου. Για 0 και αντικαθιστώντας το στην εξίσωση το είναι γνωστό. Προσδιορισμός ου σημείου Για 0 και αντικαθιστώντας το στην εξίσωση το είναι γνωστό + έχουμε ότι + έχουμε ότι 6

Παράδειγμα T Για το διπλανό κύκλωμα να υπολογιστούν οι τάσεις πόλωσης και και τα ρεύματα Ι Ε και Ι το τρανζίστορ είναι πυριτίου ΝΡΝ έχει β00 και 0. 0ΚΩ και 5KΩ.. 0,7 γιατί είναι τρανζίστορ πυριτίου. 0 0,7., 9mA 0.0. c β. β. ( ) β. β. + β. β. c.( + β ) β c. Λύση β 00..,9.0, 9mA 00 + β + 4.. 0,9.0.5.0 0,4.. Με τα παραπάνω στοιχεία μπορούμε να χαράξουμε την ευθεία φόρτου. Προσδιορισμός ου σημείου. Για 0 και αντικαθιστώντας το στην εξίσωση 0 το 0 είναι δεδομένο. Προσδιορισμός ου σημείου Για 0 και αντικαθιστώντας το στην εξίσωση 0 4.0 4 5.0 ma + το είναι δεδομένο. έχουμε ότι + έχουμε ότι Στις καμπύλες χαράζουμε την ευθεία φόρτου που φαίνεται σε παραπάνω σχήμα. Το σημείο Q προσδιορίζεται από την τομή της ευθείας φόρτου με το Ι Ε,9mA. 7

Πόλωση Ρεύματος Βάσης σε συνδεσμολογία Στη συνδεσμολογία αυτή ο εκπομπός του τρανζίστορ είναι κοινός για το κύκλωμα εισόδου και εξόδου. Η αντίσταση είναι αυτή η οποία καθορίζει το ρεύμα της βάσης του τρανζίστορ. Το κύκλωμα είναι ευάλωτο σε μεταβολές της θερμοκρασίας γιατί όπως θα δούμε παρακάτω η αύξηση της θερμοκρασίας ισοδυναμεί με αύξηση του β και μείωση της. Σκοπός μας είναι να υπολογίζουμε τις τάσεις πόλωσης και για την σωστή λειτουργία, και το σημείο ηρεμίας Q γύρω από το οποίο πραγματοποιείται η λειτουργία. + Β T Εξοδος A Σήματος Εισοδος A Σήματος Ανάλυση του κυκλώματος Εισόδου Σύμφωνα με το κανόνα τάσεων του Kirchhoff για τις τάσεις έχουμε.. 0 0,7 περίπου για τρανζίστορ Πυριτίου. 0, περίπου για τρανζίστορ Γερμανίου. Ανάλυση του κυκλώματος Εξόδου Το επηρεάζει το ρεύμα Ι σύμφωνα με την σχέση Ι β. Το β είναι γνωστό για κάθε τρανζίστορ από τα βιβλία του κατασκευαστή. Σύμφωνα με το κανόνα τάσεων του Kirchhoff για τις τάσεις έχουμε * 0 * Η τάση πόλωσης είναι και το σημείο ηρεμίας για το παραπάνω κύκλωμα. 8

Άσκηση ) Για το παρακάτω κύκλωμα να επιλεγεί η αντίσταση ώστε η τάση Q να είναι ίση με 5. Δίνονται 0, 5KΩ, β00, 0,7. Λύση Q Tr cc c Q 0 5 ma 5 β. 0, 0mA β 0, 7 0 0,7 64, ΚΩ 0,0.0 Άσκηση ) Για το παραπάνω κύκλωμα να επιλεγεί η αντίσταση ώστε η τάση Q να είναι ίση με 5. Δίνονται το τρανζίστορ είναι γερμανίου, 0, 5KΩ, β00 Λύση cc c Q 0 5 ma 5 β. 0, 0mA β 0, 0 0, 656, 6ΚΩ 0,0 Άσκηση ) Να υπολογιστούν οι τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης για το παρακάτω κύκλωμα. Δίνονται τρανζίστορ Si,, 00K, K και β00. Ι 0,7 56,5. 0 00.0 6 A ίσοδος Α Σήματος Ι Β Q Tr Εξοδος Ac Σήματος Ι Β 56,5 μα. Ι β* 00 * 56,5.0-6 5,65 ma * 5,65.0 - *.0 6,5 Ευθεία φόρτου και Σημείο Λειτουργίας Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι χαρακτηριστικές εξόδου για συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (). 9

Για να χαράξουμε την ευθεία φόρτου χρησιμοποιούμε την σχέση. Και την λύνουμε προς. + ή ένα σημείο και την κλίση της, η οποία είναι ίση με H παραπάνω σχέση εκφράζει εξίσωση ευθείας με x και y. Για την χάραξη της ευθείας φόρτου, πρέπει να προσδιορίσουμε δύο σημεία. m. Σαν σημεία λαμβάνουμε συνήθως τα σημεία τομής της με τους άξονες. Οπότε, για το ένα σημείο έχουμε 0 και. Με το γνωστό καθορίζεται το ένα σημείο. Το άλλο σημείο ορίζεται για 0, οπότε και επειδή η είναι γνωστή καθορίζεται και το άλλο σημείο. Αφού χαράξουμε την ευθεία φόρτου μπορούμε να προσδιορίσουμε το σημείο ηρεμίας Q. Σαν Σημείο Ηρεμίας Q ορίζεται το βέλτιστο σημείο γύρω από το οποίο πρέπει να γίνεται η λειτουργία του τρανζίστορ. Για την εύρεση του Q απαιτείται η γνώση της τιμής του. Η τομή της ευθείας φόρτου με την χαρακτηριστική που αντιστοιχεί στο ρεύμα βάσης καθορίζει το σημείο ηρεμίας Q, κατά την διάρκεια της λειτουργίας του κυκλώματος με A σήμα στην είσοδο, το σημείο λειτουργίας πηγαινοέρχεται στην A ευθεία φόρτου. Η επιλογή του σημείου ηρεμίας Q επηρεάζεται από κάποιους παράγοντες που είναι :. Η μεταβολή των dc και ac παραμέτρων του τρανζίστορ με την μετακίνηση του σημείου ηρεμίας.. Το πλάτος του προς ενίσχυση σήματος.. Η ισχύς που καταναλώνεται στο τρανζίστορ. 4. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος στην οποία θα λειτουργήσει το τρανζίστορ. 0

Ρεύμα Κόρου του Τρανζίστορ Το ρεύμα του συλλέκτη δεν πρέπει να υπερβαίνει μια μέγιστη τιμή S. Το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη υπολογίζεται από τη σχέση + για S 0 Και είναι ίσο με S. Το ρεύμα αυτό ονομάζεται ρεύμα κόρου του τρανζίστορ και βρίσκεται στο επάνω άκρο της ευθείας φόρτου ( στην σκιασμένη περιοχή). Η τάση για την οποία πετυχαίνουμε το ρεύμα κόρου ονομάζεται τάση κόρου S. H τιμή του S είναι της τάξεως μερικών δεκάτων του βόλτ. Το τρανζίστορ δεν πρέπει να εργάζεται στην περιοχή του κόρου γιατί :. Υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του εξαιτίας της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται σε αυτό.. Να μην παραμορφώνεται το σήμα εξόδου εν σχέση με το σήμα που δώσαμε στην είσοδο. Ρεύμα Αποκοπής του Τρανζίστορ Από τη σχέση Ι β. για να γίνει το 0 πρέπει το Ι Β να γίνει μηδέν. Το ρεύμα αυτό Ι Β 0 για το οποίο ισχύει 0 ονομάζεται ρεύμα αποκοπής του τρανζίστορ. Στην πράξη το <0. Επίδραση της θερμοκρασίας στην Πόλωση Το κύκλωμα πόλωσης που μελετήσαμε μέχρι τώρα προσφέρει μεγάλη απολαβή τάσης όταν εργάζεται σαν ενισχυτής. Το σημείο ηρεμίας Q για το οποίο έγινε όλη η προηγούμενη ανάλυση δεν είναι δυνατό να κρατηθεί σταθερό εξαιτίας διαφόρων παραγόντων, μερικοί από αυτούς είναι : ). Η τάση πόλωσης με την αύξηση της θερμοκρασίας ελαττώνεται κατά 0,5mv / οπότε το Ι Β αυξάνει. ( ). ). Η απολαβή β του τρανζίστορ αυξάνει με την θερμοκρασία. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι τιμές του β και του πώς μεταβάλλονται για ένα τυπικό τρανζίστορ πυριτίου. Τ 0 β -65 0 0.9 5 50 0.7 00 80 0.5 5 0 0.

Πόλωση με αντίσταση στον Εκπομπό Β + Στο προηγούμενο κύκλωμα προσθέτουμε την αντίσταση η οποία περιορίζει το ρόλο του στις συνθήκες πολώσεως του τρανζίστορ T Εξοδος A Σήματος Εισοδος A Σήματος Ε Ε Ανάλυση του κυκλώματος Εισόδου Σύμφωνα με το κανόνα τάσεων του Kirchhoff για τις τάσεις έχουμε. 0.. ( + ).. (. + ).. ( + )...( + ( β + ). ) + 0 β Β 0 β 0 0 + ( β + ). + β. Οι παραδοχές που γίνονται εδώ είναι ότι <<. Οπότε το Ι Β είναι ανεξάρτητο του όχι όμως και από το β. Πόλωση με διαιρέτη Τάσης και αντίσταση στον Εκπομπό (ανεξαρτητοποίηση από το β) Είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος πόλωσης. Εδώ χρησιμοποιείται ο διαιρέτης τάσης με τις αντιστάσεις και που παρέχει την κατάλληλη τάση στη βάση. H σταθεροποίηση του σημείου λειτουργίας πετυχαίνεται εν μέρη από την και από τον διαιρέτη τάσης και. Η τιμή της αντίσταση επιλέγεται με βάση το κέρδος τάσης του κυκλώματος, την μεγίστη διακύμανση της τάσης εξόδου και την σταθερότητα του σημείου λειτουργίας Q σε μεταβολές θερμοκρασίας. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο πολώνεται το τρανζίστορ και δίπλα του φαίνεται το ισοδύναμο κατά Thevenin.

Q Tr Q Tr Ο διαιρέτης τάσης έχει αντικατασταθεί από την ισοδύναμη κατά Thevenin αντίσταση // και την πηγή ΤΗ. +. + +.. + +.( β + ). + + β. ( β + ). και β. β. β. + ( β +). + ( β + ). + β. στην παραπάνω σχέση αν << (β+) τότε το ρεύμα του συλλέκτη γίνεται ανεξάρτητο από το β δηλαδή β. και Q.. Η τιμή της επιλέγεται συνήθως από τους τύπους 0 0 ή β.. 0 Ο πυκνωτής λαμβάνει μέρος στο κύκλωμα μόνο όταν το κύκλωμα εργάζεται σαν ενισχυτής και στην είσοδο του δίνομαι εναλλασσόμενο σήμα. Όλα τα εναλλασσόμενα μεγέθη διέρχονται μέσα από τον πυκνωτή και δεν υπάρχει πτώση τάσεως πάνω στην ο πυκνωτής αυτός ονομάζεται πυκνωτής διαφυγής η τιμή του είναι τέτοια ώστε στην μικρότερη συχνότητα ενίσχυσης του κυκλώματος να παρουσιάζει πολύ μικρή αντίσταση, συνηθισμένη τιμή 0-00μF. Ασκηση η. Να προσδιοριστεί το σημείο ηρεμίας του τρανζίστορ στο παρακάτω κύκλωμα. Δίνονται 00KΩ, 0ΚΩ, 4ΚΩ, KΩ, 0,5,, β50. Λύση Q Tr Q Tr

Βρίσκω την ισοδύναμη κατά Thevenin αντίσταση Βρίσκω την ΤΗ, ΤΗ. +. + + +. + β. ( β + ).. // 6, 67ΚΩ. + +.( β + ). 0,5 4,7µ Α + ( β + ). 6,66.0 + (50 + )..0 β. 50.4,7.0 6 0, 705mA Q. 0,705.0 * 4.0 9, 8 Άσκηση η) Να υπολογίσετε τις τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης στο παρακάτω κύκλωμα. Το τρανζίστορ είναι πυριτίου. Δίνονται 40KΩ, 4ΚΩ, 0ΚΩ,,5KΩ, 0,7,, β50. Λύση ( << ) 4.. + 4 + 40. 0,7, Q Tr, 0, 87mA,5.0 Q. 0,87.0 *0.0, Πόλωση σε συνδεσμολογία κοινού Συλλέκτη. Πόλωση με ρεύμα Βάσεως. Εισοδος A Σήματος Β T Ε Ε Ε + Εξοδος A Σήματος Στο κύκλωμα αυτό ο συλλέκτης είναι κοινός τόσο για την είσοδο όσο και για την έξοδο. Στο κύκλωμα αυτό η τάση εξόδου εν σχέση με την τάση εισόδου είναι σε φάση. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται και ακολουθητής εκπομπού. Η τάση στο Συλλέκτη του κυκλώματος είναι ίση με την τάση της πηγής. 4

Το κύκλωμα αυτό λειτουργεί σαν ενισχυτής και όπως σε όλα τα κυκλώματα ενίσχυσης έτσι και σε αυτό ζητούμε να έχουμε την μικρότερη δυνατή παραμόρφωση του σήματος εισόδου στην έξοδο. Για να γίνει αυτό και να μπορεί ταυτόχρονα το σήμα στην έξοδο να παίρνει μεγάλα πλάτη πρέπει το σημείο ηρεμίας Q να στο μέσο περίπου της ευθείας φόρτου. Πρέπει να επιλέξουμε την έτσι ώστε οπότε και Ανάλυση του κυκλώματος Εισόδου (Υπολογισμός του Ι Β ) Σύμφωνα με το κανόνα τάσεων του Kirchhoff για τις τάσεις έχουμε. 0.. ( + ).. (. + ).. ( + )...( + ( β + ). ) + 0 β Β 0 β 0 0 + ( β +). 0,7 περίπου για τρανζίστορ Πυριτίου. 0, περίπου για τρανζίστορ Γερμανίου. Ανάλυση του κυκλώματος Εξόδου (Υπολογισμός του Ι Ε, και ) (β + ). Β.. Άσκηση η. Για το παρακάτω κύκλωμα να υπολογιστούν οι τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης. Δίνονται 00K, K, 0,β00 και 0,7 + Β T Εισοδος A Σήματος Ε Ε Ε Εξοδος A Σήματος Λύση. + (β + ). 5

0 0,7 9, 8,5µ Α 00.0 + (00 + )..0 50000 6 ( β + ). (00 + ).8,5.0,7.0 Α, 7mA Β.,7.0..0 7, 44. 0 7,44,. 56 Άσκηση η. Για το παραπάνω κύκλωμα να υπολογιστεί η ώστε 5. Δίνονται K, 0,β00 και 0,7. Λύση 5., 5mA.0 β,5.0 ( + ). Β, µ Α ( β + ) (00 + ) 4 6 0 0,7 0 0,7,4.0 + (00 + )..0 + ( β + ). + (00 + )..0,4.0 6 46,9 ΚΩ. Στη η άσκηση θέσαμε 5 τη μισή της τάσης τροφοδοσίας για να έχουμε τη μέγιστη δυνατή A τάση εξόδου χωρίς παραμόρφωση. 6