Κεφάλαιο 2 Transistors

Κεφάλαιο 2 Transistors 1. Εισαγωγή - Γενικά 2. Διπολικά Transistors (ipolar Juncon 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 ffect Transistors - FT) a. Transistor Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (Juncon Filed ffect Transistors - JFT) 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 (amplificaon) 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 JuncFon Transistors - JT) και τα transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field ffect Transistors - FT). 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 FT στα ψηφιακά. Τα IGT είναι ένας σχετικά νέος τύπος transistor που συνδυάζει πολλά από τα πλεονεκτήματα των δύο άλλων τύπων. 2

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 (mi{er - ) και συλλέκτης (ollector - ). Όταν η βάση είναι τύπου p (transistor npn) τότε οπές ρέουν από την βάση προς τον εκπομπό. Όταν η βάση είναι τύπου n (transistor pnp) τότε οπές ρέουν από τον εκπομπό προς την βάση. Στο σχηματικό σύμβολο ενός transistor φαίνονται οι ακροδέκτες () που αντιστοιχούν σε κάθε τύπο υποστρώματος καθώς επίσης και, μέσω του βέλους, η ροή οπών. Όταν 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 3 I I p n p Το γεγονός ότι η βάση είναι πολύ λεπτή της επιτρέπει να λειτουργεί σαν "είσοδος ελέγχου". Έτσι τα σήματα που εφαρμόζονται στην βάση χρησιμοποιούνται για να παράγουν και ελέγξουν την ροή ρεύματος μεταξύ των δύο άλλων ακροδεκτών. I I I I

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 4

ontrol Systems Laboratory Σύνδεση κοινού εκποµπού (ommon mitter - ) 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 () 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 Κατά την ορθή πόλωση transistor τύπου npn το μεγαλύτερο ποσοστό (~ 99 %) του ρεύματος I προέρχεται από τον συλλέκτη (ρεύμα I ) ενώ το μικρότερο (~ 1 %) προέρχεται από την βάση ( ). I I n p n I I I n p n I I 5

ontrol Systems Laboratory Σύνδεση κοινού εκποµπού συνεχ. Ισχύουν οι σχέσεις I V = V + V V = V I V = V V V I V I V V V I I = V V = V V 6

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 arly). Λόγω της ορθής πόλωσης της ένωσης είναι προφανές ότι V (για transistor πυριτίου). = 0. 7 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 V < 0.7V όπου I 0 λέγεται περιοχή αποκοπής. V I αποκοπή { I V I 0.7 V h ie = V V dv di V V 7

Καµπύλες Συλλέκτη I ontrol Systems Laboratory I I Η σχέση μεταξύ και δίδεται στο σχήμα για μία δεδομένη τιμή της V (οι καμπύλες μεταβάλλονται παραμετρικά ως προς το V ) όπου το κέρδος ρεύματος είναι β dc = Ic I = hf 20K 200 και είναι προσεγγιστικά σταθερό για ένα σημαντικό τμήμα του di εύρους μεταβολής του I αν και προφανώς δεν είναι (δηλαδή, hfe! di μεταβάλλεται ελαφρά) γιατί hf hfe. Η σχέση μεταξύ ρευμάτων συλλέκτη και εκπομπού είναι! αdc = hf = Ic I = βdc ( 1+ βdc ) 0.95K 0.99 < 1 Η σχέση μεταξύ I και V δίδεται από μία οικογένεια καμπυλών με παράμετρο το I Η περιοχή I = 0είναι η περιοχή αποκοπής και αντιστοιχεί σε I << (τάξη na). β I I = h I = const. dc F 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 Περιοχή 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 Περιοχή Περιοχή Κόρου παρουσιάζουν μικρή κλίση. αποκοπής 8 I I I = 0 + = β ac I V Περιοχή Κατάρρευση

Καμπύλες Transistor I I I I V V αποκοπή h ie = dv di V I V V h fe di! di = β ac { 0.7 V β! I I = h dc F I V I (max) I I + P D(max) =V!I υπερβολή Ενεργός Περιοχή P D(max) I = const. V Περιοχή Κόρου Περιοχή αποκοπής I = 0 Περιοχή Κατάρρευσης V (max) 9 Σελ.28

V Άσκηση: Ανάλυση Κυκλώματος Transistor I 22 kω 5 V I V I V V β D =100 1 kω V 22 V I (max) I Περιοχή Κόρου I I = const. + Περιοχή αποκοπής Ενεργός Περιοχή I = 0 P D(max) V Περιοχή Κατάρρευσης Nα ευρεθούν τα I, I, I, V, V και V. 10 V (max) Για προδιαγραφές: β D =100, P D(max) =800 mw, V (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 V 5V 0.7 V I = = = 195 µ A I = β DI = ( 100)( 195 µ A) = 19.5 ma 22 kω Επομένως I < I( max). Επίσης I = I + I = 19.5 ma+ 195 µ A= 19.695 ma Η πτώση τάσης στην είναι: V = I = 19.5 ma 1 kω = 19.5V ( )( )

V Άσκηση: Ανάλυση Κυκλώματος Transistor I 22 kω 5 V I V I V V β D =100 1 kω V I (max) I Περιοχή Κόρου I I = const. + Περιοχή αποκοπής Ενεργός Περιοχή I = 0 P D(max) V Περιοχή Κατάρρευσης V (max) Επειδή: V = V V = V 19.5 (I =const. è οριζόντια κίνηση του Q) V Άρα, V = 22V V = 22V 19.5V = 2.5V και Επειδή V = V V = 2.5V 0.7 V = 1.8V V = V V = V 19.5V V = V + 19.5V 22 V V ( ) = V ( ) + 19.5V = 15V + 19.5V = 34.5V max max Αναφορικά με το «Ποιά προδιαγραφή θα υπερβούμε πρώτη»: Παρατηρείστε ότι P D = V I = ( V V ) I V = P P D +V I = D 19.5 ma +19.5V V ( max ) = P D( max) 800 mw +19.5V = +19.5V! 60.526V 19.5 ma 19.5 ma Άρα πρώτη θα υπερβούμε την V (max) όταν η V γίνει 34.5 V. 11

Μοντέλα Προσέγγισης Transistor ontrol Systems Laboratory + V Ιδανική Δίοδος β dc I V + - (α) - 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 I dv = di I (β) Περιοχή Κόρου V Περιοχή αποκοπής V I Ενεργός Περιοχή + I I = const. I = 0 (γ) V Περιοχή Κατάρρευσης V 12

ontrol Systems Laboratory Μοντέλα Προσέγγισης Transistor συνεχ. + + V Δίοδος Πηγή β dc I V β' προσέγγιση: Είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη προσέγγιση. Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης- εκπομπού λαμβάνεται ως δίοδος πηγή και κατά συνέπεια V ( V ) = β I = const =0.7 για πυριτιο I dc - 13 I (β) 0.7V (α) V I (γ) - V

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 δεν είναι σταθερή V = V + I r V =0.7 V για πυριτιο b 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 ( ) sat sat coll + V - dc Δίοδος Πηγή µε εσωτερική αντίσταση 14 I (β) 0.7V (α) V I β I r coll dc V (γ) + - V

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 0max : συλλέκτη εκπομπού με ανοικτή βάση και : εκπομπού βάσης V max το μέγιστο D ρεύμα συλλέκτη ( ) και η μέγιστη ισχύς της διάταξης ( PD = V I), που μπορεί να δίδεται για διάφορες θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Πρέπει να τονισθεί ότι το κέρδος ρεύματος β dc = hfεξαρτάται 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 F I I max V max V 0max V max 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 -- 15 I h F min h Fmax

ontrol Systems Laboratory Σηµείο Λειτουργίας Transistor Το σημείο λειτουργίας ορίζεται από το ζεύγος Η εύρεσή του μπορεί να γίνει τόσο μέσω των I V V προσεγγιστικών μοντέλων όσο και από τις ακριβείς χαρακτηριστικές καμπύλες του transistor V Λογιστικός τρόπος Εύρεσης ΣΛ : Θα θεωρήσουμε V μόνο τα μοντέλα τύπου α' και β I α' προσέγγιση : Επειδή το transistor θεωρείται ιδανικό, V 0, οπότε I = V = 30µ A αν για το δεδομένο transistor επιλέξουμε από τα στοιχεία κατασκευαστή β dc = τότε I = β I = 100 30µ Α= 3mA I V V = 15 V, = 500 kω, = 3 kω, V = 15V οπότε V = V I = 15V 3mA 3kΩ= 6V β' προσέγγιση : Λόγω μοντέλου β προσέγγισης, V 0.7V, οπότε και επειδή, όπως προηγουμένως, για το δεδομένο transistor επιλέγουμε β = 100, τότε οπότε dc dc (, V ) Q I I = β I = 100 28.6 µ Α= 2.86mA dc V = V I = 15V 2.86mA 3kΩ= 6.42V 100, V V = I = = 28.6 µ A 16

Σηµείο Λειτουργίας Transistor Πρέπει να τονισθεί ότι κατά τον λογιστικό τρόπο υπολογισμού πρέπει να πιστοποιηθεί, μέσω των στοιχείων κατασκευαστή, ότι το κέρδος ρεύματος που επιλέχθηκε είναι το σωστό για το ρεύμα συλλέκτη που βρέθηκε. Λογιστικός Τρόπος - α προσέγγιση: I =6 ma I [ma] h F min h Fmax 0.1 40 -- 1 70 -- 10 100 300 50 60 -- 100 30 -- Λογιστικός Τρόπος - β προσέγγιση: I =6.42 ma Παρεμβολή & Επανάληψη 17

ontrol Systems Laboratory Σηµείο Λειτουργίας Transistor συνεχ. Εύρεση ΣΛ Μέσω Χαρακτηριστικών : Γίνεται χρήση των χαρακτη- ριστικών που δίδονται για το εν λόγω transistor, από τον κατα- σκευαστή. Επί της χαρακτηριστικής ( I, V) χαράσσουμε την γραμμή φορτίου, το ευθύγραμμο τμήμα δηλαδή που εκφράζει V V 15V V την σχέση I = = και από την τομή ευρίσκεται η 500kΩ τιμή του I που διαρρέει την είσοδο του κυκλώματος. Παρατηρούμε ότι το I δεν εξαρτάται από τις παραμέτρους της πλευράς συλλέκτη παρά μόνο από αυτές τις πλευράς βάσης. Χαράσσουμε την γραμμή φορτίου το ευθύγραμμο τμήμα δηλαδή που εκφράζει την σχέση I, V όπως εκφράζεται από την I I V V V I ( ) V V I Q I = II* = I V I * 0.7V V V 15V V = = 3kΩ V V V I I = = 0 Περιοχή V Περιοχή Κόρου Κατάρρευση 18 V

Η Σηµασία του Σηµείου Λειτουργίας Q ontrol Systems Laboratory Ο δείκτης Q δείχνει ότι αναφέρονται στο ΣΛ Η ημιτονοειδής τάση V in που υπερτίθεται στην V, έχει αποτέλεσμα την ημιτονοειδή μεταβολή του I. Δεδομένου ότι η γραμμή φορτίου στη πλευρά συλλέκτη παραμένη σταθερή αυτό οδηγεί σε «ημιτονοειδή μετακίνηση» του Q μεταξύ των σημείων Α & Β. Αυτό ουσιαστικά οδηγεί σε ημιτονοειδή μεταβολή των I και V 19

Η Σηµασία του Σηµείου Λειτουργίας ontrol Systems Laboratory Απαιτείται προσοχή στη τοποθέτηση του Q για να αποφευχθεί λειτουργία εκτός ενεργού (γραμμικής) περιοχής με συνέπεια παραμορφώσεις σήματος. Το Q πρέπει να τοποθετείται κατάλληλα με βάση το εύρος της ημιτονοειδούς τάσης V in που υπερτίθεται στην V και του συντελεστή ενίσχυσης β D Πως όμως είναι δυνατή η ακριβής γνώση του συντελεστή ενίσχυσης? Είναι δυνατό να υπάρξει μικρή εξάρτηση του Q από το β D? 20

Πόλωση Transistor V ontrol Systems Laboratory Πολύ σημαντική η «τοποθέτηση» του Σ.Λ. με μεγάλη ακρίβεια. I 1 Kατά την σχεδίαση δεν είναι δυνατή η εκ των προτέρων γνώση I I του β dc = hf επειδή (1) εξαρτάται από την θερμοκρασία και (2) τα φύλλα κατασκευαστή δίνουν απλά μέγιστες και ελάχιστες 2 τιμές. Εξ' άλλου, οι τάσεις που χρησιμοποιούνται για την πόλωση των transistor είναι D με μικρό ποσοστό διαταραχής. I V =+ 10V 1 10 Για να αποφεύγεται το φαινόμενο να έχουμε μη σαφώς 2 = 2.2kΩ 3.6 καθορισμένο σημείο λειτουργίας χρησιμοποιούμε μεθοδολογίες βdc πόλωσης. Η πιο κλασσική είναι η πόλωση με διαιρέτη τάσης. = 1kΩ Υπόθεση 1: I << I 2 V = V = 1.8V = kω = kω [ 36,300] Με βάση αυτή εφαρμόζουμε διαιρέτη τάσης 1+ 2 Υπόθεση 2: το transistor ευρίσκεται σε κανονική λειτουργία (δηλ. εκτός περιοχής ανακοπής) δηλ. V 0.7 V Οπότε V = V V = 1.8V 0.7V = 1.1V και το ρεύμα εκπομπού ευρίσκεται προφανώς (χωρίς την χρήση του I = V = 1.1V 1kΩ= 1.1mA ( ) 0.95 0.99 Επειδή έχουμε I I και κατά συνέπεια 21 β = h α dc = I c I = β dc 1+ β dc V = V I V I = 10V 1.1mA 3.6kΩ= 6.04V dc F )

Πόλωση Transistor V ontrol Systems Laboratory Η προηγούμενη ανάλυση έγινε χωρίς ουσιαστική χρήση των χαρακτηριστικών κατασκευαστή του transistor (Αυτό επισημαίνει την σταθερότητα του σημείου λειτουργίας, πράγμα απαραίτητο για οσο το δυνατόν πιο γραμμικά κυκλώματα transistors), και με τις δύο βασικές υποθέσεις 1 & 2 των οποίων η ισχύς πρέπει να ελεγχθεί. Προφανώς σε αυτό το στάδιο θα γίνει χρήση των προδιαγραφών I κατασκευαστή των χαρακτηριστικών του transistor V =+ 10V 1 10 Έλεγχος Υπόθεσης 1: Από αυτές, έχουμε βdc [ 36,300]. Οπότε 2 = 2.2kΩ 3.6 β = I I I < I β I β = 1.1mA 36 = 30.5µ Α β dc dc dc min min 22 1 I 2 ( ) ( ) I I = kω = kω = 1kΩ dc [ 36,300] Το ρεύμα δια του διαιρέτη είναι I V 1+ 2 = 10V 10kΩ+ 2.2kΩ = 0.82mA και επειδή I < 0.05 I I << Ισχύει η Υπόθεση 1 Έλεγχος Υπόθεσης 2: Αν το transistor ευρίσκεται στην αποκοπή, τότε I 0 και επειδή η βάση είναι ορθά πολωμένη 0 V < 0.7V 0.7V < V 0 επομένως V = V V V 0.7 < V V 1.1V < V 1.8V. Επειδή ( ) V = 2 1+ 2 V = 1.8V αν είμαστε στην περιοχή αποκοπής τότε Ic 0. Αυτό θα σήμαινε I = I + I 0. Κατά συνέπεια V = I 0 που αντίκειται στην και κατά συνέπεια το transistor δεν ευρίσκεται στην αποκοπή. Ισχύει η Υπόθεση 2

Άσκηση:Πόλωση Transistor ontrol Systems Laboratory Να ευρεθούν τα σημεία λειτουργίας των transistor πυριτίου στην διπλανή διάταξη. Λειτουργικά, τι είναι και τι κάνει αυτή η διάταξη? Είναι ενισχυτής 2 (εν σειρά) βαθμίδων όπου και οι 2 βαθμίδες έχουν πόλωση με διαιρέτη τάσης. Άρα εφαρμόζουμε διαιρέτη τάσης Το transistor πυριτίου ευρίσκεται σε κανονική 2 =3 kω λειτουργία (δηλ. εκτός περιοχής ανακοπής) δηλ. V 0.7 V 1 1 Οπότε V = V και 1 V 1 = 3V 0.7V = 2.3V I 1 1 = V 1 1 = 2.3V 1kΩ= 2.3mA 1 Επομένως: V = V 1 I 1 V 1 I 1 = 10V 2.4mA 3kΩ= 3.1V 1 Το V είναι η τάση πόλωσης για τη 2 η βαθμίδα, δηλαδή V 1 2 = V 1 = 3.1V Οπότε V = V και 2 V 3.1 0.7 2.4 2 2 = V V = V I 2 = V 2 2.4 2 1.2 2 = V kω= ma 2 Επομένως V = V I V I = 10V 1.2mA 4kΩ= 5.2V 2 2 2 2 2 Αρα και τα σημεία λειτουργίας είναι: 2 V = V 3 1 = V 1+ 2 1 =7 kω V 1 1 = V 1 V 1 = 3.1 2.3 = 0.8V V 2 2 = V 2 V 2 = 5.2 2.4 = 2.8V V in ( ) = 3.1V,2.3mA ( ) = 5.2V,1.2mA Q 1 = V 1 1, I 1 Q 2 = V 2 2, I 2 ( ) ( ) V =10 V 1 =3 kω 1 =1 kω 2 =4 kω V out 2 =2 kω

Άσκηση για το σπίτι... Στο διπλανό κύκλωμα πόλωσης με διαιρέτη τάσης αφού ληφθεί υπόψη ότι τα στοιχεία: V, 1, 2,, είναι γνωστά και ότι το τρανζίστορ είναι πυριτίου και να ευρεθούν: Η τάση βάσης, η τάση & το ρεύμα εκπομπού, το ρεύμα και η τάση συλλέκτη V Θέλοντας να μελετήσουμε τη «ευαισθησία» του παραπάνω κυκλώματος ως προς τη μεταβολή των παραμέτρων να ευρεθεί η παράγωγος,, dv dµ όπου µ =. Πως επηρεάζεται η τάση συλλέκτη V από το µ? 1 I 2 I V I I 5/12/14 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος 24

ontrol Systems Laboratory Το Διπολικό Transistor ως Ενισχυτής Τα transistors χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ενίσχυσης τάσης, ρεύματος και ισχύος. Το κέρδος ή συντελεστής ενίσχυσης είναι ο λόγος ενός μεγέθους που αναφέρεται στην έξοδο προς το αντίστοιχο σήμα εισόδου. Επομένως A = I I A = V V A = P P = A A i out in υ out in p out in υ i Ένας ενισχυτής A αυξάνει το σήμα ασθενών A σημάτων. ( ) V Τροφοδοτείται με υπέρθεση D τάσης που χρησιμοποιείται για κατάλληλη πόλωση και ενός μικρού A σήματος εισόδου ( υ g ) και παρέχει στην έξοδο ένα A σήμα εξόδου ( υ l ) που είναι ενισχυμένη μορφή του αντίστοιχου A σήματος εισόδου. Οι G, L είναι οι αντιστάσεις της γεννήτριας σήματος και του φορτίου εξόδου, αντίστοιχα. Το A σήμα εισόδου εφαρμόζεται μέσω του πυκνωτή G για να αποκόψει την δίοδο του D σήματος που χρησιμοποιείται για την πόλωση του transistor, έτσι ώστε η G να μην επιδράσει στο ρεύμα πρόσω πόλωσης. Όμως επιτρέπει την διέλευση του A σήματος δια μέσου του. Για τους ίδιους λόγους, το Α σήμα εξόδου οδηγείται μέσω του πυκνωτή L στο φορτίο εξόδου L. Οι πυκνωτές G και L λέγονται πυκνωτές σύζευξης. Αντίθετα, ο πυκνωτής παράκαμψης χρησιμοποιείται για την γείωση του A τμήματος του σήματος εκπομπού, ενώ δεν επιτρέπει την διέλευση του D τμήματος. υ g G G 1 2 V L υ l L 25

Το Διπολικό Transistor ως Ενισχυτής ontrol Systems Laboratory ( ) V Στον ενισχυτή, η υπέρθεση D τάσης που χρησιμοποιείται για κατάλληλη πόλωση και ενός μικρού A σήματος εισόδου ( υ g ) παράγει στην έξοδο ένα A σήμα εξόδου ( υ l ) που είναι ενισχυμένη μορφή του αντίστοιχου A σήματος εισόδου. Το A σήμα περνάει στην βάση δημιουργώντας A ρεύμα βάσης που ενισχύεται μέσω του κέρδους ρεύματος δημιουργώντας ένας μεγάλο A ρεύμα συλλέκτη που ρέοντας μέσω της αντίστασης συλλέκτη δημιουργεί μεγάλη A τάση συλλέκτη. Προφανώς το προς ενίσχυση A σήμα πρέπει να είναι μικρού εύρους έτσι ώστε να μην οδηγεί το (στιγμιαίο) Σ.Λ. έξω από την ενεργή περιοχή του transistor, πράγμα που θα οδηγούσε σε παραμορφωμένο σήμα εξόδου. Q ( υ g = 0) Το σημείο λειτουργίας 0 όταν δεν εφαρμόζεται σήμα εισόδου θα πρέπει να επιλέγεται στο "κέντρο" της ενεργού περιοχής έτσι ώστε να η ενίσχυση να έχει όσο το δυνατόν πιο γραμμική συμπεριφορά. υ l υ g 26

ontrol Systems Laboratory Το JT ως Ενισχυτής Η "γραμμικότητα" στην περιοχή του και η μικρή "ταλάντωση" γύρω από αυτό δίνει την 1 = 10kΩ δυνατότητα της ανάλυσης, βάσει της αρχής 1 της υπέρθεσης, με 3 βήματα: G = 600Ω ανάλυση D (οι A πηγές είναι μηδενικές και G G οι πυκνωτές "ανοικτοκυκλωμένοι"), ανάλυση A (οι D πηγές είναι μηδενικές και οι πυκνωτές βραχυκυκλωμένοι) και υ g πρόσθεση των αποτελεσμάτων των δύο 2 προηγουμένων βημάτων. υ g = 1mV 2 = 2.2kΩ Q 0 V V =+ 10V = 3.6kΩ βdc = 1kΩ L [ 36,300] L υ l = 10kΩ L Είναι προφανές ότι οι G, Lδίδονται από την εφαρμογή, ενώ οι 1, 2,, υπολογίζονται για την κατάλληλη τοποθέτηση του Q 0. Η ανάλυση θα δείξει ποίες συνθήκες πρέπει να ικανοποιούν οι G, L,. ανάλυση D: Προφανώς ισχύει V και οι πυκνωτές είναι 1 G = 0 ανοικτοκυκλωμένοι γιατί ουσιαστικά δεν άγουν D ρεύμα. Κατά I συνέπεια το κύκλωμα παίρνει την μορφή του διπλανού σχήματος και λόγω του ότι τα δεδομένα είναι ίδια με αυτά του παραδείγματος στην «πόλωση», ισχύει η εκεί ανάλυση. Δηλαδή 2 V = 1.8V,V = 1.1V, I = 1.1mA,V = 6.04V,V = 4.94V I V I I 27

Το JT ως Ενισχυτής συνεχ. ontrol Systems Laboratory ανάλυση A: Iσχύει V = 0 και οι πυκνωτές είναι βραχυκυκλωμένοι γιατί ουσιαστικά άγουν "ελεύθερα" (επιλέγονται να έχουν πολύ μικρή εμπέδιση) το Α ρεύμα. Κατά συνέπεια το κύκλωμα παίρνει την μορφή το οποίο τελικά απλοποιείται σε G I L G L υ g 1 2 υ g 1 2 Αυτό με την σειρά του, βάσει του ισοδύναμου Τ- μοντέλου του transistor, δίδει το κύκλωμα όπου και r e ( ) dv I = I S e V V T 1 β ac I είναι η A αντίσταση εκπομπού για την οποία ισχύει di 25mV I h ie = r h e = fe Δ dv di 25mV είναι το "A κέρδος ρεύματος" που ορίσθηκε ως β = h = ac fe G di di G στην σελ. 9 και για το οποίο προφανώς βac = h fe βdc = hf. υ l Οι υβριδικές παράμετροι υ hie, hfe, ευρίσκονται στα φυλλάδια κατασκευαστών, όπως g άλλωστε και η. Έστω ότι στο εδώ παράδειγμα β = h = 160 υ h F 1 2 Αν b είναι η (προφανώς μικρή) A τάση της βάσης, τότε για το A ρεύμα εκπομπού ισχύει υ = i r b e e V I = 25mV 1.1mA! 22.73 Ω 28 ac L fe L ie ac

ontrol Systems Laboratory Το JT ως Ενισχυτής συνεχ. Από το ισοδύναμο, τύπου- Π, μοντέλο και δεδομένου ότι ie ic και έχουμε την εμπέδηση εισόδου της βάσης υ b = i e r e β ac = hfe = di di ic ib ( ) ( ) β ac z b in!υ b i b = r e i e i b r e i c i b r e = h ie = 160 22.73 Ω = 3636.8 Ω και την εμπέδηση εισόδου του ενισχυτή b z = z = h = in 1 2 in 1 2 ie = 10 kω 2.2 kω 3.636 kω= 1.205 kω οπότε διαδοχικά παίρνουμε i g = G υ g + z in υb = ig zin = υg G zin + z in i b υ b = b ic βac ib zin = υ c = ic ( L) 29

ontrol Systems Laboratory Το JT ως Ενισχυτής συνεχ. Από τις προηγούμενες σχέσεις και τους ορισμούς τών συντελεστών ενίσχυσης: μπορούμε να βρούμε: A = i i i out in A = υ τον συντελεστή ενίσχυσης τάσης, δεδομένου ότι zin υb = υg G + z in υ ( L) ( 3.6 10 ) out z kω kω in 1.205 υb = ie r e A υ = = = = 77.75 υg r e G + zin 22.73 0.6 + 1.205 υout = ic ( L ) h Δ ie dv 25 mv = r = όπου υπενθυμίζουμε ότι: τον συντελεστή ενίσχυσης ρεύματος υ out υ A = P P = A A p out in υ i g G G υ g V 1 2 e fe h di I L υ l L A i = i c i b! β ac και την εμπέδηση εξόδου, που δίνεται προσεγγιστικά από την: z = = 3.6 Ω 10 kω= 2.65 kω out L k 30

ontrol Systems Laboratory Τύποι Ενισχυτών: Κοινού Εκποµπού () Αναλύθηκε εκτενώς προηγουμένως επειδή είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος σε JT ενισχυτές. Όπως αναλύθηκε προηγουμένως, τα κέρδη ρεύματος όσο και τάσης είναι πολύ μεγάλα. V V in I t V in I L t V I V I I V >1 V I + V 5/12/14 31 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος I =0 V

ontrol Systems Laboratory Είσοδος στη Βάση. Έξοδος στο Συλλέκτη. Αντιστροφή φάσης μεταξύ εισόδου & εξόδου. Όλοι οι πυκνωτές πρέπει να έχουν χαμηλή εμπέδηση στη συχνότητα λειτουργίας. Οι 1, 3 είναι πυκνωτές σύζευξης (coupling) για τα σήματα είσόδου και εξόδου. Ο 2 είναι πυκνωτής παράκαμψης (bypass) του εκπομπού ο οποίς έτσι δρά σαν γείωση των A σημάτων. Τύποι Ενισχυτών: Κοινού Εκποµπού () Τύποι Ανάλυσης D Τύποι Ανάλυσης A V V = V V I β 2 D = V 1+ 2 βd V = V = V I 25 mv r e = I ( ) z! υ i = β r + b in in b ac e 1 z! υ i = z b in in in 1 2 in z = A out L υ! υ out e 1 b in Aυ! υout υin Aυ Aυ υin G + zin A! i i i c b ac zout υb = r + υ = = = β i z A! i i = A = A b in i c in i b i iin zin A! P P = A A p out in υ i z = 1 + 2 5/12/14 32 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος

ontrol Systems Laboratory Τύποι Ενισχυτών: Κοινού Συλλέκτη () Oνομάζεται και ακολουθητής εκπομπού (emi{er follower) επειδή ο εκπομπός ακολουθεί την βάση. Η αντίσταση εισόδου είναι πολύ υψηλή επειδή το σήμα εισόδου ασκείται σε μία αντίστροφα πολωμένη ένωση συλλέκτη- βάσης. Η αντίσταση εξόδου είναι χαμηλή. Αυτό το κύκλωμα μπορεί να απομονώσει την έξοδο από την είσοδο, δρά λοιπόν σαν μία σύσκευή που τα χαρακτηριστικά της εξόδου δεν επιδρούν στην είσοδο. Αυτά τα κυκλώματα λεγονται απομονωτές (buffers). I V in I I L V 33

ontrol Systems Laboratory Είσοδος στη Βάση. Έξοδος στον Εκπομπό. Ίδια φάση εισόδου- εξόδου. Μεγάλη εμπέδιση εισόδου, μικρή εξόδου. Μέγιστο κέρδος τάσης=1 Ο συλλέκτης είναι γειωμένος στα A σήματα. Όλοι οι πυκνωτές πρέπει να έχουν χαμηλή εμπέδηση στη συχνότητα λειτουργίας. Τύποι Ενισχυτών: Κοινού Συλλέκτη () Τύποι Ανάλυσης D Τύποι Ανάλυσης A V V = V V I V β 2 D = 1+ 2 βd V = = V V r = e 25 mv I ( ) z! υ i = β r + b in in b ac e 1 z! υ i = z b in in in 1 2 in z = A out L υ zout! υout υin = " 1 r + z in Ai ie iin = Aυ zout e out z! " z z in out A! P P = A A " A p out in υ i i 5/12/14 34 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος

Τύποι Ενισχυτών: Κοινής Βάσης (Β) Το ρεύμα I είναι το ρεύμα εισόδου ενώ το I είναι το ρεύμα εξόδου. Προφανώς I < I και επομένως α dc < 1. Μπορούμε να παρατηρήσουμε τις χαρακτηριστικές εκπομπού και συλλέκτη του transistor. Το transistor σε διάταξη μπορεί να αποδώσει κέρδος τάσης. I Αυτό είναι δυνατό γιατί, όπως γίνεται κατανοητό από τις χαρακτηριστικές, για τις αντιστάσεις εισόδου re και εξόδου V >1 V ισχύει Δ V Δ V re = << = I I ontrol Systems Laboratory V =0 και I I οπότε έχουμε κατά πολύ μεγαλύτερες τάση & ισχύ εξόδου απ ότι εισόδου. V V in I V I I L t V in t I + V V 35 I =0 V

ontrol Systems Laboratory Είσοδος στον Εκπομπό. Έξοδος στον Συλλέκτη. Ίδια φάση εισόδου- εξόδου. Μικρή εμπέδιση εισόδου, μεγάλη εξόδου. Μέγιστο κέρδος ρεύματος=1 Η Βάση είναι γειωμένη στα A σήματα. Τύποι Ενισχυτών: Κοινής Βάσης (Β) Τύποι Ανάλυσης D Τύποι Ανάλυσης A V V = V V I β 2 D = 1+ 2 βd V = V = V I V r = e 25 mv I e z! υ i = r in in in e z = r A out e L υ! υ υ = out in e zin A! i i = i i " 1 i c in c e p out in υ i A! P P = A A " A L υ 5/12/14 36 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος

Τύποι Ενισχυτών συνεχ. ontrol Systems Laboratory Τα χαρακτηριστικά αυτών των ενισχυτών μπορούν να πινακοποιηθούν ως εξής: Τύπος Ενισχυτή Χαρακτηριστικό A υ A A i p Z in Z out Μεγάλο Μικρό 1 Μεγάλο Μεγάλο Μεγάλο Μικρό 1 A υ A Πολύ Μεγάλο= Μεγάλο Μεγάλο i Μικρό Μεγάλο Πολύ Μικρό Μεγάλο Πολύ Μικρό Μεγάλο A i A υ ίναι δυνατόν να επιτευχθούν συνδυασμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά με την εν σειρά τοποθέτηση ενισχυτών A υi., i = 1,2,!. Σε αυτή την περίπτωση η συνολική ενίσχυση είναι A υ = A υ1 A υ2! 37

ontrol Systems Laboratory Το JT ως Διακόπτης Όταν το transistor χρησιμοποιείται σαν διακόπτης ευρίσκεται είτε στην κατάσταση αποκοπής είτε σε αυτή του κορεσμού. Η βασική αρχή αυτής της χρήσης έγκειται στην διακριτή μεταβολή της κατάστασής τους (δηλ. της τάσης, του ρεύματος ή και των δύο). Αυτή η βασική έννοια της αλλαγής κατάστασης αν συσχετισθεί με την μαθηματική λογική τότε κάνει προφανές το τεράστιο εύρος χρήσης αυτού του διακόπτη. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται στους μεταλλάκτες D σε A, σε οδηγούς μεταβλητής συχνότητας, σε σωληνοειδείς επενεργητές, σε ρελέ και σε ψηφιακά λογικά κυκλώματα. Η ισχύς λειτουργίας εκτείνεται από λίγα mw, στα λογικά κυκλώματα, σε kw στα συστήματα ελέγχου κινητήρων. 38

ontrol Systems Laboratory Το JT ως Διακόπτης Η οδήγηση των transistor στην αποκοπή ή κορεσμό γίνεται μέσω του V. V = 0 Όταν τοτε I το transistor είναι στην = 0 αποκοπή, δηλ. ο «διακόπτης» είναι ανοικτός και V V ( ) cutoff Στο κορεσμό, αν θεωρήσουμε V I sat ( ) 0 sat οπότε ( )!V Οπότε το ελάχιστο ρεύμα I που απαιτείται για κορεσμό V είναι I και ισχύει ( ) = I min ( sat) β V = I D I ( min ) = I ( sat) = β D άρα V V + V β /12/14 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος 39 D V β D

ontrol Systems Laboratory Βιοµηχανικές Εφαρµογές των JT Οι ενισχυτές Darlington αποτελούνται από 2 «εν σειρά» ενισχυτικές βαθμίδες. V Θυμίζουμε ότι για τη διάταξη ενίσχυσης ισχύουν in Είσοδος στη Βάση. Έξοδος στον Εκπομπό. Ίδια φάση εισόδου- εξόδου. Μεγάλη εμπέδιση εισόδου, μικρή εξόδου. Μέγιστο κέρδος τάσης=1 Ο συλλέκτης είναι γειωμένος στα A σήματα. Όλοι οι πυκνωτές πρέπει να έχουν χαμηλή εμπέδηση στη συχνότητα λειτουργίας. Επομένως οι Darlington: έχουν υψηλές αντιστάσεις εισόδου, εξόδου και κέρδος ρεύματος, απαιτούν χαμηλά σήματα εισόδου (λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου), και το κέρδος ρεύματός τους είναι το γινόμενο των δύο ενισχυτικών βαθμίδων Χρησιμοποιούνται ευρέως στις βιομηχανικές εφαρμογές λόγω του μεγάλου κέρδους ρεύματος που έχουν. Το σχήμα δείχνει έναν Darlington με πόλωση μέσω διαιρέτη τάσης. Το σήμα εισόδου ισούται με την πτώση τάσεως στις δύο ενώσεις ΒΕ των transistors συν την πτώση στο φορτίο. Επομένως, η τάση εξόδου αυτού του ενισχυτή είναι μικρότερη από αυτήν της εισόδου. Όταν το σήμα εισόδου γίνεται θετικό η βάση του 1ου transistor γίνεται θετική και ο εκπομπός του ακολουθεί την βάση, οπότε είναι θετικές και η βάση και ο εκπομπός του 2ου transistor. Επομένως η τάση εξόδου βρίσκεται σε φάση με αυτήν της εισόδου. 40 V in t 1 2 V out V t V ou

ontrol Systems Laboratory Βιοµηχανικές Εφαρµογές των JT συνεχ. Οι Darlington χρησιμοποιούνται για σερβοκινητήρες και ρυθμιστές τάσης. Επίσης, σε κυκλώματα αισθητήρων τους χρησιμοποιούν γιά ενίσχυση εξαιρετικά ασθενών σημάτων. Το σχήμα δείχνει την χρήση σε έλεγχο κινητήρα D. Η μεταβλητή αντίσταση ελέγχει την μικρή τιμή του ρεύματος εισόδου που μετά τα δύο ενισχυτικά στάδια μεγαλώνει και αποδίδεται στον κινητήρα. 1 V Κινητήρας D 41

ontrol Systems Laboratory Βιοµηχανικές Εφαρµογές των JT συνεχ. Ο μεταλλάκτης (inverter) μετατρέπει D ισχύ σε A ισχύ. Δηλαδή είναι το αντίστροφο του ανορθωτή. Το σχήμα δείχνει έναν μεταλλάκτη τροφοδοτούμενο από μία πηγή 12-14 V (D) που αποδίδει 120 V, 60 Hz (A). Η βασική ιδέα βρίσκεται στην διάταξη των transistors που είναι τοποθετημένα έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα ταλαντωτή (oscillator). O μετασχηματιστής όταν φθάνει σε κορεσμό αποκόπτει το transistor που τον φορτίζει και ενεργοποιεί έτσι το άλλο transistor παρέχοντας έτσι ένα τετραγωνικής μορφή σήμα στο φίλτρο που το λειαίνει δίδοντάς του μορφή τραπεζοειδούς κύματος. 1 =100 Ω 2N3614 UT FT-10 3 4 12-14 V L 1 =10 µη 1 =3 µf 2 =0.25 µf Outlet 120 V A 60 Hz 2N3616 24V 2A 2 =100 Ω 3 = 4 =15 Ω 42

ontrol Systems Laboratory Βιοµηχανικές Εφαρµογές των JT συνεχ. Ο μετατροπέας (converter) είναι μία συσκευή που μετατρέπει ένα επίπεδο τάσης D σε άλλο. Δηλαδή είναι σαν ένας μετασχηματιστής - D. Αν ένα transistor εναλάσσεται ταχέως μεταξύ των καταστάσεων ON - OFF τότε είναι δυνατός ο έλεγχος της τάσης που παρέχεται σε ένα φορτίο. Αυτή η μορφή ελέγχου της τάσεως ονομάζεται διαμορφωση εύρους παλμού (pulse width modula`on - PWM) και είναι πολύ χρήσιμη σε βιομηχανικά κυκλώματα ελέγχου κινητήρων, πηγών Τάση Εισόδου (D) µε διαταραχές τροφοδοσίας και συσκευών που λειτουργούν με μπαταρίες (όπως π.χ. ορισμένα περονοφόρα οχήματα) και χρειάζεται οικονομία ισχύος. Στο σχήμα φαίνεται ένα τέτοιο κύκλωμα που παρέχει ένα ορθογώνιο 43 1 3 1 1 2 2 παλμό χωρίς να απαιτείτα ένα αντίστοιχο σήμα εισόδου. Αυτό το κύκλωμα ονομάζεται ασταθής πολυδονητής (astable mul`vibrator). Μηχανική Σύζευξη Οι μεταλλάκτες και οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται σε πολλά βιομηχανικά κυκλώματα όπως σε έλεγχο κινητήρων A, D ψαλιδιστές (choppers) κλπ. Πλέον δεν κατασκευάζονται τόσο από transistors όσο από thyristors (ειδικές ημιαγωγές συσκευές που μπορούν να χειρίζονται μεγάλες ποσότητες ρεύματος). Το πιο απλό είδος ρυθμιστή τάσεως είναι αυτό τύπου ακολουθητή εκπομπού (emifer- follower) που φαίνεται στο σχήμα. V 4 V out L

ontrol Systems Laboratory Βιοµηχανικές Εφαρµογές των JT συνεχ. Μία από τις πιο συνήθεις βιομηχανικές εφαρμογές του transistor - διακόπτη είναι σε κυκλώματα ελέγχου σερβο- κινητήρων (servomotors) και βηματικών κινητήρων (stepper motors). Το σχήμα δείχνει μια απλή μορφή ενός τέτοιου κυκλώματος που είναι γνωστή σαν οδηγός ενισχυτής. Η αντίσταση s χρησιμοποιείται για περιορισμό του ρεύματος ενώ η δίοδος χρησιμοποιείται για την απόδοση της ενέργειας του περιτυλίγματος όταν το transistor είναι σε αποκοπή. Δίοδοι χρησιμοποιούνται σε τέτοιες διατάξεις με επαγωγικές συσκευές (ρελέ, κινητήρες κ.λ.π.) και ονομάζονται δίοδοι εκτόνωσης (freewheeling diodes). Όταν το transistor αποκοπεί, η τάση στη περιέλιξη είναι αντίστροφη σε σχέση με την εφαρμοζόμενη τάση και πολώνει ορθά την δίοδο επιτρέποντας την αποφόρτιση του πηνίου μέσω της διόδου, που είναι ορθά πολωμένη μέχρι τελικής αποφορτίσεώς της. V in Β +V S Περιέληξη Κινητήρα 44

ontrol Systems Laboratory Βιοµηχανικές Εφαρµογές των JT συνεχ. Τα transistor- διακόπτες μαζί με ενισχυτές χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικά κυκλώματα σε εφαρμογές ελέγχου, μετρήσεων και παρακολούθησης (monitoring). Η μέτρηση αντίστασης συχνά έχει χρησιμοποιηθεί σε κυκλώματα ελέγχου. Στο σχήμα βλέπουμε ένα βιομηχανικό κύκλωμα που συνδυάζει έναν Darlington ( Q και έναν διακόπτη για την 1, Q 2) ( Q 3 ) ενεργοποίηση ενός συναγερμού όταν το υγρό φτάσει σε κάποιο επίπεδο οπότε άγεται ικανοποιητικό ρεύμα στα ηλεκτρόδια. ( Q, Q ) Τα είναι χαμηλής στάθμης - υψηλού κέρδους ενώ το είναι υψηλού ρεύματος. 1 2 Όταν υπάρχει αγώγιμο υγρό μεταξύ των ηλεκτροδίων διέρχεται ρεύμα που διαιρείται και ένα τμήμα του διαρρέει την βάση και το υπόλοιπο πηγαίνει προς το ποτενσιόμετρο που χρησιμοποιείται για ρύθμιση. Όταν η στάθμη είναι χαμηλή, η αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι υψηλή και το ρεύμα προς το τόσο χαμηλό που, παρόλη την ενίσχυση στον Darlington, δεν μπορεί να μεταβάλει την κατάσταση αποκοπής του. Επομένως δεν υπάρχει ρεύμα προς elay τον συλλέκτη του ( Q 3 ) και κατά συνέπεια το πηνίο είναι αποκομμένο. Όταν η στάθμη υγρού ανέβει τότε Q 1 μειώνεται η αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων και Q 2 κατά συνέπεια αυξάνεται το ρεύμα που αποδίδει ο Darlington. Όταν αυτό είναι ικανοποιητικό για να Q 3 1 διεγείρει το ( Q 3 ), θα αποδώσει ισχυρό ρεύμα στο ρελέ το οποίο θα ενεργοποιήσει τον συναγερμό. 45 ( ) Q 3 V out

ontrol Systems Laboratory Το Φωτοτρανζίστορ Φακός Είναι ένα διπολικό transistor με φωτοευαίσθητη ένωση που όταν εκτίθεται σε φως μέσω φακού που είναι στη συσκευασία του transistor άγει ρεύμα ανάλογο της φωτεινής ισχύος. Έχει δηλαδή παρόμοια λειτουργία με αυτή ενός κλασσικού JT με ορθά πολωμένη την. Η σχέση μεταξύ του ρεύματος συλλέκτη και του ρεύματος βάσης (που δημιουργείται από το φώς) είναι: I =β D I λ Από τις χαρακτηριστικές I V (διπλ. Σχήμα) με παράμετρο τη φωτεινή ένταση Η φαίνεται ότι όταν δεν υπάρχει φως υπάρχει κάποιο μικρό ρεύμα διαρροής που διαρρέει την Τα φωτοτραζίστορ είναι πιο ευαίσθητα σε συγκεκριμένα μήκη κύματος όπως φαίνεται στο σχήμα Η διάταξη «φωτο- Darlington» (διπλ.σχήμα) χρησιμοποιείται για την επίτευξη (σε σχέση με το απλό φωτο- transistor) υψηλότερων: ρεύματος συλλέκτη και φωτοευασθησίας I 1 ένεκα του υψηλότερου κέρδους ρεύματος. I 2 =I 1 β D1!I 1 V H V I 2 β D2!I 2 46

ontrol Systems Laboratory Transistors Επιδράσεως Πεδίου - FT Στο JT η ροή ρεύματος προς και από την βάση ελέγχει την ροή ρεύματος μεταξύ εκπομπού και συλλέκτη. Επομένως χρειάζεται σημαντική ισχύς γιά να οδηγηθεί. Τα FT σχεδιάσθηκαν γι αυτό ακριβώς το λόγο, γιά να μειώ- σουν την ισχύ οδήγησης, αλλά και γιά να αυξήσουν την ταχύ- τητα αλλαγής κατάστασης (switching) σε σχέση με το JT. Εχουν 3 ακροδέκτες που ονομάζονται υποδοχή (drain), πηγή (source) και πύλη (gate). Συνήθως η πύλη χρησιμοποιείται ως είσοδος, και το συντριπτικά μέγιστο ποσοστό ρεύμα- τος διαρρέει το δίαυλο, δηλ. μεταξύ πηγής και υποδοχής. Γιά να λειτουργήσουν χρειάζονται εξωτερική τάση πόλωσης που όταν αυξηθεί, τα περισσότερα FT, τελικά αποκόπτονται μιάς και η εσωτερική αντίσταση αυξάνει. Οι διαφορές μεταξύ FT και JT είναι ü Στο FT το ρεύμα εξόδου ελέγχεται με ένα ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από την τάση πόλωσης, ενώ το JT είναι ελεγχόμενο από ρεύμα. Το JT διεγείρεται με αύξηση του ρεύματος εισόδου ενώ τα περισσότερα FT αποκόπτονται με αύξηση της τάσης πολώσεως. ü Η αντίσταση εισόδου του FT είναι τεράστια (~ΜΩ) ενώ του JT μικρή. Τα FT παρέχουν καλλίτερη απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου, γι αυτό τα FT είναι κατάλληλα γιά ενισχυτές. ü Τα FT έχουν μικρότερο εσωτερικό θόρυβο και καλλίτερη συμπεριφορά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. ü Τα FT είναι μονοπολικές συσκευές μιάς και το ρεύμα διαρρέει μόνο έναν τύπο ημιαγωγού υλικού, ενώ τα JT είναι διπολικές. ü Τα FT έχουν μειονέκτημα το σχετικά μικρό γινόμενο «κέρδος! εύρος ζώνης» σε σχέση με τα JT. 47

ontrol Systems Laboratory Transistors Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως - JFT Υπάρχουν δύο ειδών FT. Τα Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (Juncon Filed ffect Transistors - JFT) και τα Οξειδίου Μετάλλου Ημιαγωγού (Metal Oxide Semiconductor FT - MOSFT). Θα ασχοληθούμε μόνο με τα JFT. Ανάλογα με το ημιαγωγό υλικό του διαύλου τα JFT μπορεί να είναι τύπου n ή p. Το άλλο υλικό αποτελεί την πύλη. Drain (Υποδοχή) Gate (Πύλη) Source (Πηγή) Drain (Υποδοχή) Gate (Πύλη) Source (Πηγή) Το ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο που αναπτύσσεται στο μέσο του διαύλου από την τάση της πύλης αυξάνει την περιοχή ανάμιξης (depleon layer) και αυξάνει την αντίσταση του διαύλου, δρώντας σαν βαλβίδα. 48

ontrol Systems Laboratory JFT συνεχ. Στην περίπτωση της συνδεσμολογίας του σχήματος έχουμε την περίπτωση ενός αυτοπολωμένου n- JFT ( V GS = 0). Αρχικά, όσο αυξάνει η τάση V αυξάνει και το ρεύμα I DS D αλλά επειδή αυξάνει και η περιοχή ανάμειξης για μία χαρακτηριστική τιμή VDS = Vp φτάνει σε ένα επίπεδο κορεσμού ID = IDSS, μέχρι βεβαίως να φτάσει η τάση σε κάποια μέγιστη τιμή VDS = Vbr. Το επίπεδο τμήμα της καμπύλης λέγεται περιοχή φραγής. Εδώ έγκειται και η σημαντική διαφορά μεταξύ JFT και MOSFT Τα JFT λειτουργούν πριν την τάση φραγής, ενώ τα MOSFT στην περιοχή φραγής. V p «χαρακτηριστική υποδοχής» G D S 5/12/14 Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά - Κ.Ι.Κυριακόπουλος V br 49

ontrol Systems Laboratory JFT Στο σχήμα, βλέπουμε το κύκλωμα ενός n- JFT και τις αντίστοιχες καμπύλες γιά διάφορες τιμές της τάσεως πολώσεως V GS. Το ρεύμα φραγής I για V 0 εξαρτάται από το DS GS I 2 DSS και δίδεται από την σχέση V GS IDS = IDSS 1 V GS ( off ) Ας σημειωθεί ότι: V GS(off) : Η τιμή της V GS(off) για την οποία Ι DS =0. V P : Η τιμή της V DS για την οποία Ι DS è Ι DSS. V GS(off) = -V P συνεχ. Οικογένεια «χαρακτηριστικών υποδοχής» Ουσιαστικά δηλαδή, η τάση V GS ελέγχει το I D στη περιοχή φραγής (δηλ. καθορίζει το I DS οπότε είναι σημαντικό να δούμε και γραφικά τη παραπάνω σχέση τους μέσω της «χαρακτηριστικής μεταφοράς». Προφανώς, γιά: n- JFT : V GS(off) <0 p- JFT : V GS(off) >0 G D S 50

ontrol Systems Laboratory Στο σχήμα, βλέπουμε το συνδιασμό της χαρακτηριστικής μεταφοράς και της οικογένειας χαρακτηριστικών υποδοχής. Τόσο αυτό το σχήμα όσο και η αντιστοιχούσα σχέση: I DS V = IDSS V 1 GS GS ( off ) δείχνουν ότι το ρεύμα I DS μπορεί να ευρεθεί για κάθε τάση τάση V GS εφόσον οι παράμετροι I DSS και V GS(off) είναι γνωστές. Αυτές δίνονται συνήθως απο τα φύλλα κατασκευαστή του JFT. Στο σχήμα παρατίθεται το κύκλωμα ενός ανιχνευτή στατικού φορτίου οιοδήποτε φορτισμένου αντικείμενου (π.χ. πλαστική βούρτσα) αποστάσεων μέχρι 30cm. Όταν το φορτισμένο αντικείμενο πλησιάσει την κεραία, το αρνητικό φορτίο της πύλης μειώνει το ρεύμα και την λάμψη της LD. 2 JFT συνεχ. 51

Άσκηση JFT ontrol Systems Laboratory Αν για το συγκεκριμένο transistor JFT ισχύει V GS(off) = -4 V και I DSS = 12 ma, να ευρεθούν: Λύση: Η ελάχιστη τιμή της V DD που απαιτείται για να μπεί το JFT στην περιοχή σταθερού ρεύματος Αν η V DD πάρει τη τιμή V DD = 15 V ποιό είναι τότε το ρεύμα I D? Αν γίνει V GS = -3 V να ευρεθεί το ρεύμα I D. Δεδομένου ότι V GS(off) = -4 V συνεπάγεται ότι V P = 4 V οπότε η ελάχιστη τιμή για είσοδο στη περιοχή σταθερού ρεύματος είναι V DS = V P = 4 V. Μας εδόθη ότι I DSS = 12 ma, άρα η περιοχή σταθερού ρεύματος είναι I DS = 12 ma για V GS = 0 V, όπως εδώ. Προφανώς V DD = V DS + I DS D = 10.7 V και λαμβάνουμε την αντιστοιχούσα γραμμή φορτίου. Με άκρα (V DD / D, V DD )=(10.7 V / 560 Ω, 10.7 V). Επειδή παραμένει V GS = 0 V, παρότι η γραμμή φορτίου τώρα γίνεται (V DD / D, V DD )=(15 V / 560 Ω, 15 V), κινούμαστε στην ίδια χαρακτηριστική, οπότε παραμένει I DS = I DSS = 12 ma. 2 Προφανώς 2 V 3 I = I 1 = 12 1 = 0.75 ma συνεχ. GS DS DSS V GS ( off ) 4 +4 V 52 G D S

Διπολικά Transistor µονωµένης Θύρας - IGT ontrol Systems Laboratory Τα IGT είναι ένας τύπος υβριδικού transistor που δανείζεται χαρακτηριστικά από τα JT : μικρή τάση μετάβασης στη κατάσταση ΟΝ, δυνατότητα χειρισμού ρεύματος μεγαλύτερη ακόμη και από τους Darlington και τα MOSFT : έλέγχος με τάση, πύλη μεγάλης φαινόμενης αντίστασης που απαιτεί μικρό ποσό ενέργειας για μετάβαση στην κατάσταση ΟΝ. Οι ακοδέκτες του είναι: Πύλη (G), Συλλέκτης () και Εκπομπός (Ε) και τα σύμβολά που το παριστούν φαίνονται στο διπλανό σχήμα. Τα IGT έχουν χρόνο μετάβασης κατάστασης ~1μs και τάση V και ρεύμα I που ξεπερνά τα 1200 V και 300 A. Τα IGT χρησιμοποιούνται γιατί έχουν χαμηλό χρόνο αλλαγής κατάστασης και δυνατότητα χειρισμού μεγάλου ρεύματος. 53

ontrol Systems Laboratory Διπολικά Transistor µονωµένης Θύρας - IGT Τα IGT χρησιμοποιούνται όλο και πιο πολύ σε αναστροφείς και κόφτες κινητήρων, επαγωγικές θερμάστρες, ενεργά φίλτρα, πηγές αδιάλειπτου λειτουργίας (uninterrupble power supplies - UPS) και συστήματα συγκολλήσεων υψηλής συχνότητας. Στο σχήμα φαίνεται ένα σύστημα συγκόλλησης που χρησιμοποιεί πηγή ισχύος υψηλής συχνότητας (10-500 khz). Το ρεύμα διέρχεται από την επιφάνεια του προς συγκόλληση μετάλλου. Η μεγάλη συχνότητα του επιτρέπει διείσδυση πολλών χιλιοστών της ίντσας και σε πολύ υψηλή ταχύτητα (π.χ. έως 500 /min σε λεπτούς μεταλλικούς σωλήνες). Στην πηγή ισχύος ο Μ/Σ υψηλής ισχύος παρέχει μόνωση. Η επαγωγή και ο πυκνωτής στην έξοδο, περιορίζουν τις διαταραχές ρεύματος. 54