Κεφάλαιο 2 Το Transistor

Κεφάλαιο 2 Το Transistor 2.0 Γενικά Τα transistors είναι ηµιαγωγά συσκευάσµατα ευρείας χρήσης σε κάθε τύπο ηλεκτρονικής συσκευής. Τα βασικά χαρακτηριστικά που τα κάνουν τόσο χρήσιµα είναι οι ικανότητες ενίσχυσης (amplification) και ελεγχόµενης διακοπής (switching). Τα transistors είναι συσκευές τριών ακροδεκτών και το µέγεθός τους είναι ανάλογο της ισχύος που διαχειρίζονται (σχ. 2-1). Τα transistors που χειρίζονται πολλή µεγάλη ισχύ λέγονται transistors ισχύος (power transistors ) και τοποθετούνται πάνω σε ψήκτρες. Σχ. 2-1 Διάφοροι τύποι transistors και οι συσκευασίες τους. Οι πιό χρήσιµοι τύποι transistor σε βιοµηχανικές εφαρµογές είναι τα Διπολικά transistors (ipolar Junction Transistors - JT) και τα transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field ffect Transistors - FT). 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. Ένας σχετικά νέος τύπος transistor που συνδυάζει πολλά από τα πλεονεκτήµατα των δύο προηγουµένων είναι τα Διπολικά transistor Μονωµένης Θύρας (nsulated Gate ipolar Transistor - GT). Αυτοί οι τύποι θα εξετασθούν παρακάτω µε έµφαση στίς εφαρµογές τους. 2.1 Διπολικά Transistors (ipolar Junction Transistors - JT) Τα JT είναι ηµιαγωγά συσκευάσµατα µε δύο ενώσεις np. Δηλαδή η εναλλαγή ηµιαγωγών υλικών µπορεί να είναι είτε τύπου npn είτε τύπου pnp (σχ. 2-2). Όπως και γιά τις διόδους, τα χρησιµοποιούµενα υλικά είναι πυρίτιο και γερµάνιο µε σαφώς πιό συχνά χρησιµοποιούµενο το πρώτο. Το µεσαίο υπόστρωµα ηµιαγωγού υλικού είναι πολύ λεπτό και λέγεται βάση (ase - ) ενώ τα ακραία ονοµάζονται εκποµπός (mitter - ) και συλλέκτης (ollector - ). Όταν η βάση είναι τύπου n (transistor pnp) τότε οπές ρέουν από τον εκποµπό προς την βάση ενώ όταν είναι τύπου p (transistor npn) τότε αυτές ρέουν από την βάση προς τον εκποµπό. Το σχηµατικό σύµβολο ενός transistor φαίνεται στο σχ. 2-3. Εκεί 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 τότε το βέλος έχει αντίθετη φορά. 21

n p n p n p (α) (β) Σχ. 2-2 Οι δύο τύποι transistor : (α) npn και (β) pnp (τα τόξα δείχνουν ροές ρεύµατος) (α) Σχ. 2-3 Σύµβολα Transistor (α) npn (β) pnp και αντίστοιχη ροή (οπών) ρεύµατος. 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. (β) 2.1.1 Χαρακτηριστικά Λειτουργίας Συνεσµολογία Κοινού Εκποµπού Οι πιθανές συνδέσεις ενός transistor που 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. Αυτό 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 0 V 0 V 0 V i V i V i (α) κοινού εκποµπού (β) κοινού συλλέκτη Σχ. 2-4 : Τυπικές µορφές διατάξεων JT Η Σύνδεση κοινού εκποµπού (common emitter - ) (γ) κοινής βάσης Για να προχωρήσουµε στην ανάλυση της λειτουργίας του JT 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 22

εισόδου εισέρχεται από την βάση και το σήµα εξόδου λαµβάνεται από τον συλλέκτη. Αυτές οι πολώσεις και τα αντίστοιχα ρεύµατα φαίνονται στα σχήµατα 2-2-α και 2-5-α. Όπως φαίνεται στο σχ. 2-5-α, σύµφωνα µε το νόµο Kirchoff (2.1) Κατά την ορθή πόλωση transistor τύπου npn το µεγαλύτερο ποσοστό (~ 99 %) του ρεύµατος προέρχεται από τον συλλέκτη (ρεύµα ) ενώ το µικρότερο (~ 1 %) προέρχεται από τον συλλέκτη (ρεύµα ). n p n V R V V V R V (α) (β) Σχ. 2-5 : (α) ροή (οπών) ρεύµατος εντός transistor npn (β) Σύνδεση κοινού εκποµπού Προφανώς στην διάταξη του σχ. 2-5-β ισχύουν οι σχέσεις V = V + V V = V R V = V V V = V = V R V R (2.2) (2.3) Καµπύλη Βάσης: Η καµπύλη µεταξύ ρεύµατος βάσης και τάσης βάσης εκποµπού (σχ. 2-6- α) είναι παρόµοια µε αυτή της διόδου, πράγµα αναµενόµενο λόγω της σύνδεσης pn. Αν και αυτή η καµπύλη εξαρτάται από την τάση συλλέκτη εκποµπού V, αυτή η εξάρτηση είναι αµελητέα (φαινόµενο arly). Λόγω της ορθής πόλωσης της ένωσης είναι προφανές ότι (για transistor πυριτίου). Με ικανοποιητικότατη ακρίβεια στην ανάλυση κυκλωµάτων, µπορεί η παραπάνω καµπύλη µεταξύ ρεύµατος βάσης και τάσης βάσης εκποµπού να προσεγγισθεί από αυτή της διόδου πηγής ( 1.2). Η περιοχή V < 0.7V όπου 0 λέγεται περιοχή αποκοπής. 23

αποκοπή h ie dv = d h fe d @ d { 0.7 V β @ = h F V Σχ. 2-6: καµπύλες: (α) ρεύµατος τάσης βάσης (β) ρευµάτων συλλέκτη βάσης. Καµπύλες Συλλέκτη: Η σχέση µεταξύ ρευµάτων συλλέκτη και βάσης δίδεται στο σχήµα 2-6-β για µία δεδοµένη τιµή της V (οι καµπύλες µεταβάλλονται παραµετρικά καθώς το V αλλάζει) όπου το κέρδος ρεύµατος είναι β @ = h 20K 200 (2.4) dc c F και λαµβάνεται ως προσεγγιστικά σταθερό για ένα σηµαντικό τµήµα του εύρους µεταβολής του ρεύµατος βάσης αν και προφανώς δεν είναι (δηλαδή, µεταβάλλεται ελαφρά) γιατί h h. Η σχέση µεταξύ ρευµάτων συλλέκτη και εκποµπού είναι F fe Προφανώς, τα (2.1,2.4) βdc αdc = hf = c = 0.95K 0.99 < 1 (2.5) 1+ β dc είναι ενδεικτικά των δυνατοτήτων ενίσχυσης του transistor. Η σχέση µεταξύ ρεύµατος συλλέκτη και V δίδεται από µία οικογένεια καµπυλών µε παράµετρο το ρεύµα βάσης (σχ. 2-7). Η περιοχή για = 0 είναι η περιοχή αποκοπής (βλ. σχ. 2-6-α) και αντιστοιχεί σε πολύ µικρό ρεύµα συλλέκτη (τάξη na). Σε κάθε καµπύλη που αντιστοιχεί σε κάποιο ρεύµα βάσης, κατά το αρχικό τµήµα ανύψωσης η δίοδος του συλλέκτη δεν είναι ανάστροφα πολωµένη και ονοµάζεται περιοχή κόρου. Οι περιοχές κόρου και αποκοπής χρησιµοποιούνται στην υλοποίηση ψηφιακών κυκλωµάτων όπου χρειάζεται η συµπεριφορά του transistor ως διακόπτη. Η περιοχή κατάρρευσης είναι η 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 παρουσιάζουν µικρή κλίση. 24

Ενεργός Περιοχή + = const. Περιοχή Κόρου Περιοχή αποκοπής = 0 V Περιοχή Κατάρρευσης Καµπύλες - V µε παράµετρο το ρεύµα βάσης. Σχ. 2-7: Μοντέλα Προσεγγίσεων : σε αναλογία µε τις διόδους υπάρχουν τρία µοντέλα προσέγγισης των χαρακτηριστικών των transistor. α.1) Ιδανικό Transistor (α' προσέγγιση) : Το ισοδύναµο προσεγγιστικό µοντέλο φαίνεται στο σχ. 2-8. Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης-εκποµπού λαµβάνεται ως ιδανική και το ρεύµα συλλέκτη δίδεται από την σχέση = β (2.6) dc Αυτά εκφράζονται και µε τις αντίστοιχες απλοποιηµένες καµπύλες του σχήµατος 2-8. + + V Ιδανική Δίοδος β dc V - (α) - V V (β) (γ) Σχ. 2-8 : Α' προσέγγιση transistor (α) ισοδύναµο κύκλωµα (β) καµπύλη ρεύµατος βάσης τάσης V (γ) καµπύλες ρεύµατος συλλέκτη τάσης V 25

α.2) β' προσέγγιση : Το ισοδύναµο προσεγγιστικό µοντέλο φαίνεται στο σχ. 2-9. Είναι η πιο συχνά χρησιµοποιούµενη προσέγγιση. Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης-εκποµπού λαµβάνεται ως δίοδος πηγή και κατά συνέπεια V ( V ) = const =0.7 για πυριτιο (2.7) και το ρεύµα συλλέκτη δίδεται από την σχέση (2.6). Αυτά εκφράζονται και µε τις αντίστοιχες απλοποιηµένες καµπύλες του σχήµατος 2-9. + + V Δίοδος Πηγή β dc V - (α) - (β) 0.7V V (γ) V Σχ. 2-9 : Β' προσέγγιση transistor (α) ισοδύναµο κύκλωµα (β) καµπύλη ρεύµατος βάσης τάσης V (γ) καµπύλες ρεύµατος συλλέκτη τάσης V α.3) γ' προσέγγιση : Το ισοδύναµο προσεγγιστικό µοντέλο φαίνεται στο σχ. 2-10. Χρησιµοποιείται όταν ανάλυση ή σχεδίαση σηµαντικής ακρίβειας είναι απαραίτητες. Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης-εκποµπού λαµβάνεται ως δίοδος πηγή µε αντίσταση σώµατος r και κατά συνέπεια η τάση V δεν είναι σταθερή emit b emit b ( =0.7 για πυριτιο ) V = V + r V V (2.8) 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, επειδή ο κόρος ισχύει όσο < β, τότε στην περιοχή του κόρου ισχύει sat dc V = r (2.9) sat sat coll Αυτά εκφράζονται και µε τις αντίστοιχες απλοποιηµένες καµπύλες του σχ. 2-10. 26

+ + V Δίοδος Πηγή µε εσωτερική αντίσταση β dc V - r coll - (α) (β) 0.7V V (γ) V Σχ. 2-10 : Γ' προσέγγιση transistor (α) ισοδύναµο κύκλωµα (β) καµπύλη ρεύµατος βάσης τάσης V (γ) καµπύλες ρεύµατος συλλέκτη τάσης V Χαρακτηριστικά Transistor: Ορισµένα από τα πιο σηµαντικά στοιχεία που δίδονται από τον κατασκευαστή είναι οι ανάστροφες τάσεις κατάρρευσης ( V : συλλέκτη βάσης, V 0 max : συλλέκτη εκποµπού µε ανοικτή βάση και D ρεύµα συλλέκτη ( max V max max : εκποµπού βάσης), το µέγιστο ) και η µέγιστη ισχύς της διάταξης ( P V ) δίδεται για διάφορες θερµοκρασίες περιβάλλοντος. =, που µπορεί να D Πρέπει να τονισθεί ότι το κέρδος ρεύµατος β dc = h εξαρτάται τόσο από το ρεύµα F συλλέκτη (σχ. 2-6-β) 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. [ma] h F min h F max V = 60 V 0.1 40 -- max V = 40V 1 70 -- 0 max V = 6 V 10 100 300 max = 200 ma 50 60 -- max P = 250 mw (25 o ) 100 30 -- D max Σχ. 2-11 : Στοιχεία κατασκευαστή για το transistor 2Ν3904 27

Σηµείο Λειτουργίας Transistor: Το σηµείο λειτουργίας Q ορίζεται από το ζεύγος (, ) V. Η εύρεσή του µπορεί να γίνει τόσο µέσω των προσεγγιστικών µοντέλων όσο και από τις ακριβείς χαρακτηριστικές καµπύλες του transistor. Η µεθοδολογία εύρεσης του Q θα φανεί µέσω του παραδείγµατος του σχ. 2-5 για: V = 15 V, R = 500 kω, R = 3 kω, V = 15V. Λογιστικός τρόπος : Θα θεωρήσουµε µόνο τις προσεγγίσεις α' και β' (1) α' προσέγγιση : Επειδή το transistor θεωρείται ιδανικό, V 0, οπότε V = = 30 µ A R και αν για το δεδοµένο transistor επιλέξουµε από τα στοιχεία κατασκευαστή β dc = 100, τότε από την 2.6, οπότε από την δεύτερη των εξ. 2.3 = β = 100 30µ Α= 3mA dc V = V R = 15V 3mA 3kΩ= 6V (2) β' προσέγγιση : Λόγω µοντέλου β προσέγγισης, V = 0.7V, οπότε V V = = 28.6 µ A R και επειδή, όπως προηγουµένως, για το δεδοµένο transistor ισχύει β dc = 100, τότε από την 2.6, = β = 100 28.6 µ Α= 2.86mA dc οπότε από την δεύτερη των εξ. 2.3 V = V R = 15V 2.86mA 3kΩ= 6.42V Πρέπει να τονισθεί ότι στον λογιστικό τρόπο υπολογισµού πρέπει να πιστοποιηθεί, µέσω των στοιχείων κατασκευαστή, ότι το κέρδος ρεύµατος είναι το σωστό για το ρεύµα συλλέκτη που βρέθηκε. Μέσω Χαρακτηριστικών : Γίνεται χρήση των χαρακτηριστικών που δίδονται για το εν λόγω, V του σχ. 2-6, transistor, από τον κατασκευαστή. Επί της χαρακτηριστικής ( ) χαράσσουµε την γραµµή φορτίου, το ευθύγραµµο τµήµα δηλαδή που εκφράζει την σχέση, V όπως εκφράζεται από την πρώτη των εξ. 2.3, ( ) V V 15V V = = R 500kΩ 28

V R * 0.7 V V V και από την τοµή, όπως προκύπτει στο ανωτέρω σχήµα, ευρίσκεται η τιµή του διαρρέει την είσοδο του ανωτέρω κυκλώµατος. Παρατηρούµε ότι το δεν εξαρτάται µόνο από παραµέτρους της πλευράς συλλέκτη παρά µόνο από αυτές τις πλευράς βάσης. Χαράσσουµε την γραµµή φορτίου το ευθύγραµµο τµήµα δηλαδή που εκφράζει την σχέση, V όπως εκφράζεται από την δεύτερη των εξ. 2.3, ( ) V V 15V V = = R 3kΩ που V R Q = * = 0 Περιοχή Κόρου Ενεργός Περιοχή V Περιοχή Κατάρρευσης Από την τοµή αυτής της γραµµής φορτίου µε την καµπύλη που αντιστοιχεί στο ρεύµα που έχει ήδη ευρεθεί, προκύπτει το σηµείο λειτουργίας. V 29

2.1.2 Πόλωση Transistor Κατά την σχεδίαση ενός κυκλώµατος µε transistor είναι πολύ σηµαντικός ο καθορισµός του σηµείου λειτουργίας µε όσο το δυνατόν πιο µεγάλη ακρίβεια, για λόγους που θα φανούν παρακάτω στην παράγραφο περί ενισχυτών. Από την προηγούµενη παράγραφο φάνηκε ότι κατά την φάση της σχεδίασης δεν είναι δυνατή η εκ των προτέρων γνώση του συντελεστή ενίσχυσης β dc = h επειδή αφ' ενός µε εξαρτάται F από την θερµοκρασία, αφ' ετέρου δε τα φύλλα κατασκευαστή δίνουν απλά µέγιστες και ελάχιστες τιµές. Εξ' άλλου, οι τάσεις που χρησιµοποιούνται για την πόλωση των transistor είναι D µε µικρό ποσοστό διαταραχής. Για να αποφεύγεται το φαινόµενο να έχουµε είτε µη σαφώς καθορισµένο σηµείο λειτουργίας χρησιµοποιούµε πόλωση µε διαιρέτη τάσης (voltage divider biasing) (σχ. 2-12). V R 1 R R 2 R Σχ. 2-12 Συνδεσµολογία διαιρέτη τάσης Θα δούµε την ουσιαστική επίδραση του διαιρέτη µέσω ενός παραδείγµατος για V =+ 10V, R1 = 10kΩ, R2 = 2.2kΩ, R = 3.6kΩ, R 1k β 36,300. = Ω και [ ] Υπόθεση 1: Θεωρούµε ότι το ρεύµα της βάσης είναι αµελητέο µπροστά στο ρεύµα που διαρρέει τον διαιρέτη <<. Με βάση την παραπάνω υπόθεση εφαρµόζουµε την εξίσωση διαιρέτη τάσης και έχουµε R 2 V = V = 1.8V R1+ R2 dc (2.10) Υπόθεση 2: Θεωρούµε ότι το transistorευρίσκεται σε κανονική λειτουργία (δηλ. εκτός περιοχής ανακοπής). Με βάση αυτή την υπόθεση V 0.7 V οπότε V = V V = 1.8V 0.7V = 1.1V (2.11) και το ρεύµα εκποµπού ευρίσκεται προφανώς χωρίς την χρήση του β dc = hf = V 1.1V 1.1mA R = 1kΩ = Από την (2.5) γίνεται φανερό ότι και κατά συνέπεια (2.12) V = V R V R = 10V 1.1mA 3.6kΩ= 6.04V (2.13) 30

V = V V = 6.04V 1.1V = 4.94V (2.14) Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι όλη αυτή η ανάλυση έγινε χωρίς ουσιαστική χρήση των χαρακτηριστικών κατασκευαστή του transistor πράγµα που επισηµαίνει την σταθερότητα του σηµείου λειτουργίας Q, πράγµα απαραίτητο για γραµµικά κυκλώµατα transistors. Η παραπάνω ανάλυση έγινε όµως µε τις δύο βασικές υποθέσεις 1 & 2 των οποίων η ισχύς πρέπει να ελεγχθεί. Προφανώς σε αυτό το στάδιο θα γίνει χρήση των χαρακτηριστικών κατασκευαστή του transistor. Έλεγχος Υπόθεσης 1: Από τις προδιαγραφές των χαρακτηριστικών κατασκευαστή του β 36,300. Οπότε transistor έχουµε [ ] Το ρεύµα δια του διαιρέτη είναι dc Προφανώς 1 < 0.05. 1.1mA < 30.5µ β β = 36 = Α (2.15) dcmin 1 2 dcmin V 10V = = 0.82mA R + R 10kΩ+ 2.2kΩ (2.16) Έλεγχος Υπόθεσης 2: Αν το transistor ευρίσκεται στην περιοχή αποκοπής, τότε 0 και επειδή η βάση είναι ορθά πολωµένη Προφανώς ισχύει η (2.10) και 0< V < 0.7V. (2.17) ( 2.17) V = V V V 0.7 < V < V 1.1V < V < 1.8V (2.18) Προφανώς όταν το transistor ευρίσκεται στην περιοχή αποκοπής, από το σχήµα 2-7, c 0, πράγµα που θα σήµαινε ότι = + 0 και κατά συνέπεια V = R 0 που αντίκειται στην (2.18), και κατά συνέπεια το transistor δεν ευρίσκεται στην αποκοπή. 2.1.3 Το JT Ως Ενισχυτής Γενικά, τα transistors µπορούν να χρησιµοποιηθούν 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 για το ρεύµα, την τάση και την ισχύ τα κέρδη είναι αντίστοιχα V P A = A = A = = A A (2.19) out out out i υ p υ p in Vin Pin Ένας ενισχυτής A χρησιµοποιείται για να αυξήσει το σήµα ασθενών A σηµάτων (σχ. 2-13). 1 Αυτή λαµβάνεται γενικά ως µια καλή πιστοποίηση της απαίτησης <<. 31

V R 1 R L R G G υ l R L υ g R 2 R Σχ. 2-13 : Ενισχυτής µίας βαθµίδας σε διάταξη κοινού εκποµπού Τροφοδοτείται µε υπέρθεση D τάσης ( V ) που χρησιµοποιείται για κατάλληλη πόλωση (καθορισµό του σηµείου λειτουργίας Q ) και ενός µικρού A σήµατος ( υ g ) και παρέχει στην έξοδο ένα A σήµα εξόδου ( υ l ) που είναι ενισχυµένη µορφή του αντίστοιχου A σήµατος εισόδου. Οι RG, R είναι οι αντιστάσεις της γεννήτριας σήµατος και του φορτίου L εξόδου, αντίστοιχα. Το A σήµα εισόδου εφαρµόζεται µέσω του πυκνωτή για να αποκόψει την δίοδο του D G σήµατος που χρησιµοποιείται για την πόλωση του transistor, έτσι ώστε η R να µην G 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 στο L φορτίο εξόδου R. Οι πυκνωτές L και G λέγονται πυκνωτές σύζευξης. Αντίθετα, ο L πυκνωτής παράκαµψης χρησιµοποιείται για την γείωση του A τµήµατος του σήµατος εκποµπού, ενώ δεν επιτρέπει την διέλευση του D τµήµατος. 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) σηµείο λειτουργίας Q έξω από την ενεργή περιοχή του transistor, πράγµα που θα οδηγούσε σε παραµορφωµένο σήµα εξόδου. Παράλληλα, το σηµείο λειτουργίας Q όταν δεν εφαρµόζεται 0 σήµα εισόδου ( 0 ) g υ = θα πρέπει να επιλέγεται στο "κέντρο" της ενεργού περιοχής έτσι ώστε να η ενίσχυση να έχει όσο το δυνατόν πιο γραµµική συµπεριφορά. Ανάλυση λειτουργίας : Η "γραµµικότητα" στην περιοχή του Q και η µικρή "ταλάντωση" 0 γύρω από αυτό µας δίνει την δυνατότητα της ανάλυσης χρησιµοποιώντας, βάσει της αρχής της υπέρθεσης, τρία βήµατα: ανάλυση D (οι A πηγές είναι µηδενικές και οι πυκνωτές "ανοικτοκυκλωµένοι"), ανάλυση A (οι D πηγές είναι µηδενικές και οι πυκνωτές βραχυκυκλωµένοι) και πρόσθεση των αποτελεσµάτων των δύο προηγουµένων βηµάτων. Η παρουσίαση αυτών των βηµάτων θα γίνει για τον ενισχυτή του σχ. 2-13 για V =+ 10V, R1 = 10kΩ, R2 = 2.2kΩ, R = 3.6kΩ, R = 1kΩ, R G = 600Ω, RL = 10kΩ, 1mV β 36,300. Είναι προφανές ότι οι R, R δίδονται από υ g = (εύρος κύµατος) και dc [ ] G L 32

την εφαρµογή, ενώ οι R1, R2, R, R υπολογίζονται για την κατάλληλη τοποθέτηση του Q. 0 Η ανάλυση θα δείξει ποίες συνθήκες πρέπει να ικανοποιούν οι G, L,. (i) ανάλυση D: Προφανώς ισχύει V G = 0 και οι πυκνωτές είναι ανοικτοκυκλωµένοι γιατί ουσιαστικά δεν άγουν D ρεύµα. Κατά συνέπεια το κύκλωµα παίρνει την µορφή του σχ. 2-12 και λόγω του ότι τα δεδοµένα είναι ίδια µε αυτά της παραγράφου 2.1.2, ισχύει η εκεί ανάλυση. Δηλαδή V = 1.8 V, V = 1.1 V, = 1.1 ma, V = 6.04 V, V = 4.94V. (ii) ανάλυση A: Προφανώς ισχύει V = 0 και οι πυκνωτές είναι βραχυκυκλωµένοι γιατί ουσιαστικά άγουν "ελεύθερα" (µε πολύ µικρή αντίδραση) το Α ρεύµα. Κατά συνέπεια το κύκλωµα παίρνει την µορφή του σχ. 2-14-α το οποίο τελικά απλοποιείται σε αυτό του σχ. 2-14-β. Αυτό µε την σειρά του, βάσει του ισοδύναµου Τ-µοντέλου του transistor, δίδει το κύκλωµα του σχ. 2-15-α, όπου r e είναι η A αντίσταση εκποµπού για την οποία ισχύει 2 h Δ ie dv 25mV = r e = (2.20) h d fe και β είναι το "A κέρδος ρεύµατος" που ορίσθηκε στο σχ. 2-6-β, ως d β = hfe = (2.21) d και για το οποίο προφανώς β = hfe βdc = hf. Οι υβριδικές παράµετροι, hie, h fe ευρίσκονται στα φυλλάδια κατασκευαστών, όπως άλλωστε και η h. Αν υ F b είναι η (προφανώς µικρή) A τάση της βάσης, ισχύει υ = i r (2.22) b e e όπου i e είναι το A ρεύµα εκποµπού. R G R R L R G R R L υ g R1 R2 R υ g R1 R2 Σχ. 2-14: (α) Πρώτη φάση απλοποίησης κατά την A ανάλυση (β) Δεύτερη φάση απλοποίησης κατά την A ανάλυση 3 2 Από την σχέση 1.1, και δεδοµένου ότι S <<, για την δίοδο εκποµπού ισχύει V VT dv 25 ( 1 ) = S e d 3 Το σύµβολο δείχνει το αποτέλεσµα σύνδεσης σε παραλληλία. mv 33

R G i b υ b i c = β i b i g R G z in b z in υ b i c = β i b υg R1 R i 2 e e R RL r υg R1 R2 β r e ib R R L Σχ. 2-15: Ισοδύναµα A µοντέλα : (α) τύπου Τ (β) τύπου Π. Ακολούθως παίρνουµε το ισοδύναµο, τύπου-π, µοντέλο του σχ. 2-15-β, από όπου λαµβάνουµε την εµπέδηση εισόδου της βάσης ( 2.22) υ i i z = = r r r = h (2.23) Δ b b e c in e e β e ie ib ib ib δεδοµένου ότι ie i και c β = hfe = d d ic ib, και την εµπέδηση εισόδου του ενισχυτή z = R R z = R R h (2.24) b in 1 2 in 1 2 ie οπότε διαδοχικά παίρνουµε i g υg = R + z G in υb = ig zin = υg R G zin + z in (2.25) (2.26) i i b c ( 2.23) υb = (2.27) z b in = β i (2.28) b ( ) υ = i R R (2.29) c c L Μέσω της (2.19) µπορούµε να βρούµε τον συντελεστή ενίσχυσης τάσης, δεδοµένου ότι υ out c L ( ) ( R RL) = i R R Aυ = υin = ie r e ενώ για τον συντελεστή ενίσχυσης ρεύµατος προφανώς ισχύει εµπέδηση εξόδου δίνεται προσεγγιστικά από την: zout R. r A e i (2.30) c i = = β. Προφανώς η ib (iii) υπέρθεση: Εύκολα µπορούν να βρεθούν οι τιµές όλων των ζητουµένων µεγεθών από υπέρθεση των σηµάτων των βηµάτων (i) και (ii). Τύποι Ενισχυτών : Σύµφωνα µε τις συνδεσµολογίες του σχ. 2-4 υπάρχουν τρία βασικά είδη ενισχυτών, τα οποία εδώ παρατίθενται µε µία ποιοτική παρά ποσοτική παρουσίαση (α) κοινής βάσης (common base - ): Στο σχ. 2-16 φαίνεται η συνδεσµολογία. Το ρεύµα είναι το ρεύµα εισόδου ενώ το είναι το ρεύµα εξόδου. Προφανώς και 34

εποµένως. Στο σχ. 2-17 µπορούµε να παρατηρήσουµε τις χαρακτηριστικές εκποµπού και συλλέκτη του transistor. Το transistor σε διάταξη µπορεί να αποδώσει κέρδος τάσης. Αυτό είναι δυνατό γιατί, όπως γίνεται κατανοητό από τα παραπάνω σχήµατα, για τις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου ισχύει (2.31) και οπότε έχουµε κατά πολύ µεγαλύτερες τάση & ισχύ εξόδου απ ότι εισόδου. V in t R L V in V V V t Σχ. 2-16 Συνδεσµολογία V >1 V + V =0 =0 V V Σχ. 2-17 Χαρακτηριστικές Εκποµπού και Συλλέκτου γιά Transistor (β) κοινού εκποµπού (common emitter - ): Αναλύθηκε εκτενώς στα προηγούµενα επειδή είναι ο πιο συχνά χρησιµοποιούµενος τύπος σε JT ενισχυτές µιάς και έχει µεγάλα κέρδη, τόσό ρεύµατος όσο και τάσης. Μιά χαρακτηριστική διάταξη φαίνεται στο σχ. 2-18 και οι καµπύλες στο σχ. 2-19. Όπως αναλύθηκε προηγουµένως, τα κέρδη ρεύµατος όσο και τάσης είναι πολύ µεγάλα. 35

V in t V in R L V V V t Σχ. 2-18 Διάταξη Κοινού Εκποµπού V >1 V + =0 V V Σχ. 2-19 Χαρακτηριστικές Βάσης και Συλλέκτη γιά transistor (γ) κοινού συλλέκτη (common collector - ): Μία χαρακτηριστική διάταξη φαίνεται στο σχ. 2-20. Oνοµάζεται και ακολουθητής εκποµπού (emitter follower) επειδή ο εκποµπός ακολουθεί την βάση. V in R L V Σχ. 2-20 Κύκλωµα ενισχυτή 36

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).! Τα χαρακτηριστικά αυτών των ενισχυτών µπορούν να πινακοποιηθούν ως εξής: Τύπος Ενισχυτή Χαρακτηριστικό A υ Μεγάλο Μικρό 1 Μεγάλο A Μεγάλο Μεγάλο Μικρό 1 i A p Πολύ Μεγάλο = A υ A i Μεγάλο A i Μεγάλο A υ Z Μικρό Μεγάλο Πολύ Μικρό in Z Μεγάλο Πολύ Μικρό Μεγάλο out Τέλος, πρέπει να λεχθεί ότι είναι δυνατόν να επιτευχθούν συνδυασµένα ποιοτικά χαρακτηριστικά µε την εν σειρά τοποθέτηση ενισχυτών Aυ, i = 1,2, L. Σε αυτή την περίπτωση η συνολική ενίσχυση είναι A = A A L υ υ υ 1 2 i 2.1.4 Το JT Ως Διακόπτης Όταν το transistor χρησιµοποιείται σαν διακόπτης ευρίσκεται είτε στην κατάσταση αποκοπής είτε σε αυτή του κορεσµού. Αυτή η αρχή χρησιµοποιείται στους µεταλλάκτες D σε A, σε οδηγούς µεταβλητής συχνότητας, σε σωληνοειδείς επενεργητές, σε ρελέ και σε ψηφιακά λογικά κυκλώµατα. 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. Η ισχύς λειτουργίας εκτείνεται από λίγα mw, στα λογικά κυκλώµατα, σε kw στα συστήµατα ελέγχου κινητήρων. Η οδήγηση των transistor στην αποκοπή ή κορεσµό γίνεται µέσω του σχ. 2-21. όπως φαίνεται στο Σχ. 2-21 Transistor ως διακόπτης σε (a) αποκοπή, και (b) κορεσµό 37

Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός τότε και. Όταν είναι κλειστός τότε, όπως εδείχθη στην παράγραφο 2.1.2, για το µέγιστο ρεύµα συλλέκτη ισχύει. 2.1.5 Βιοµηχανικές Εφαρµογές Διπολικών Transistor Οι ενισχυτές Darlington χρησιµοποιούνται ευρέως στις βιοµηχανικές εφαρµογές λόγω του µεγάλου κέρδους ρεύµατος που έχουν. Μία τυπική διάταξη, όπως φαίνεται στο σχ. 2-22, έχει υψηλές αντιστάσεις εισόδου, εξόδου και κέρδος ρεύµατος. Συνήθως τα δύο transistor ευρίσκονται στην ίδια συσκευασία. Λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου απαιτούν χαµηλά σήµατα εισόδου. Το κέρδος ρεύµατος είναι το γινόµενο των δύο ενισχυτικών βαθµίδων, δηλαδή (2.32) Όπως φαίνεται από το σχ. 2-22, 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. Το σχήµα 2-22 δείχνει έναν Darlington µε πόλωση µέσω διαιρέτη τάσης. Όταν το σήµα εισόδου γίνεται θετικό η βάση του πρώτου transistor γίνεται θετική και ο εκποµπός του ακολουθεί την βάση, οπότε είναι θετικές και η βάση και ο εκποµπός του δευτέρου transistor. Εποµένως η τάση εξόδου βρίσκεται σε φάση µε αυτήν της εισόδου. V in V t R 1 V in R 2 R V out V out t Σχ. 2-22 Ενισχυτής τύπου Darlington Οι Darlington χρησιµοποιούνται για σερβοκινητήρες και ρυθµιστές τάσης. Επίσης, σε κυκλώµατα αισθητήρων τους χρησιµοποιούν γιά ενίσχυση εξαιρετικά ασθενών σηµάτων. Το σχ. 2-23 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. 38

R 1 V Κινητήρας D Σχ. 2-23 Ο µεταλλάκτης (inverter) µετατρέπει D ισχύ σε A ισχύ. Δηλαδή είναι το αντίστροφο του ανορθωτή. Το σχ. 2-24 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. R 1 =100 Ω 2N3614 UT FT-10 R 3 R 4 12-14 V 2N3616 24V 2A L 1 =10 µη 1 =3 µf 2 =0.25 µf Outlet 120 V A 60 Hz R 2 =100 Ω R 3 =R 4 =15 Ω Σχ. 2-24 Μεταλλάκτης 60Ηz 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 modulation - PWM) και είναι πολύ χρήσιµη σε βιοµηχανικά κυκλώµατα ελέγχου κινητήρων, πηγών τροφοδοσίας και συσκευών που λειτουργούν µε µπαταρίες (όπως π.χ. ορισµένα περονοφόρα οχήµατα) και χρειάζεται οικονοµία ισχύος. Στο σχ. 2-25-α φαίνεται ένα τέτοιο κύκλωµα που παρέχει ένα ορθογώνιο παλµό χωρίς να απαιτείτα ένα αντίστοιχο σήµα εισόδου. Αυτό το κύκλωµα ονοµάζεται ασταθής πολυδονητής (astable multivibrator). 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). 39

Μηχανική Σύζευξη V R 3 R 1 Τάση Εισόδου (D) µε διαταραχές R L R 1 R 2 R4 1 2 V out Σχ. 2-25 : (α) Απλός µετατροπέας (β) Ρυθµιστής τύπου ακολουθητή εκποµπού Το πιο απλό είδος ρυθµιστή τάσεως είναι αυτό τύπου ακολουθητή εκποµπού (emitter-follower) που φαίνεται στο σχ. 2-25-β. Μία από τις πιο συνήθεις βιοµηχανικές εφαρµογές του transistor - διακόπτη είναι σε κυκλώµατα ελέγχου σερβο-κινητήρων (servomotors) και βηµατικών κινητήρων (stepper motors). Το σχ. 2-26 δείχνει µια απλή µορφή ενός τέτοιου κυκλώµατος που είναι γνωστή σαν οδηγός ενισχυτής. Η αντίσταση 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 R S R Β Περιέληξη Κινητήρα V in Σχ. 2-26 Οδηγός ενισχυτής. Τα transistor-διακόπτες µαζί µε ενισχυτές χρησιµοποιούνται σε βιοµηχανικά κυκλώµατα σε εφαρµογές ελέγχου, µετρήσεων και παρακολούθησης (monitoring). Χάριν παραδείγµατος αναφέρεται η περίπτωση µετρήσεως αντίστασης που συχνά έχει χρησιµοποιηθεί σε κυκλώµατα ελέγχου. Στο σχ. 2-27 βλέπουµε ένα βιοµηχανικό κύκλωµα που συνδυάζει έναν Darlington και έναν διακόπτη για την ενεργοποίηση ενός συναγερµού όταν το υγρό φτάσει σε κάποιο επίπεδο οπότε άγεται ικανοποιητικό ρεύµα στα ηλεκτρόδια. Τα 40

ρεύµατος. είναι transistor χαµηλής στάθµης - υψηλού κέρδους ενώ το είναι υψηλού Relay V out Q 1 Q 2 R 1 Q 3 Σχ. 2-27 Έλεγχος στάθµης υγρού µε ενισχυτή και διακόπτη 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 (calibration). 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 τον συλλέκτη του και κατά συνέπεια το πηνίο είναι αποκοµµένο. Όταν η στάθµη υγρού ανέβει τότε µειώνεται η αντίσταση µεταξύ των ηλεκτροδίων και κατά συνέπεια αυξάνεται το ρεύµα που αποδίδει ο Darlington. Όταν αυτό είναι ικανοποιητικό για να διεγείρει το, θα αποδώσει ισχυρό ρεύµα στο ρελέ το οποίο θα ενεργοποιήσει τον συναγερµό. Φακός 2.1.6 Το Φωτοτρανζίστορ Σχ. 2-28 Phototransistor: κατασκευή και σύµβολο. Είναι ένα διπολικό transistor µε φωτοευαίσθητη ένωση που όταν εκτίθεται σε φως µέσω φακού που είναι στη συσκευασία του transistor (σχ. 2-28) άγει ρεύµα ανάλογο της φωτεινής ισχύος. Έχει δηλαδή παρόµοια λειτουργία µε αυτή ενός κλασσικού JT µε ορθά πολωµένη την. Όταν δεν υπάρχει φως υπάρχει κάποιο µικρό ρεύµα διαρροής που διαρρέει την. Οι χαρακτηριστικές φαίνονται στο σχ. 2-29. 41

8 6 4 2 [na] Η [mw/cm 2 ] 8 5 3 2 1 5 10 15 20 25 30 V [V] Σχ. 2-29 Χαρακτηριστικές Phototransistor 2.2 Transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field ffect Transistors - FT) Υπενθυµίζουµε ότι το JT είναι µία συσκευή στην οποία η ροή ρεύµατος προς και από την βάση ελέγχει την ροή ρεύµατος µεταξύ εκποµπού και συλλέκτη. Εποµένως χρειάζεται σηµαντική ισχύς γιά να οδηγηθεί αυτό το transistor. Τα FT σχεδιάσθηκαν γι αυτό ακριβώς το λόγο, γιά να µειώσουν την ισχύ οδήγησης, αλλά και γιά να αυξήσουν την ταχύτητα αλλαγής κατάστασης (switching) σε σχέση µε το JT. Εχουν 3 ακροδέκτες (σχ. 2-30) που ονοµάζονται υποδοχή (drain), πηγή (source) και πύλη (gate). Συνήθως η πύλη χρησιµοποιείται ως είσοδος, και το συντριπτικά µέγιστο ποσοστό ρεύµατος λαµβάνει χώρα στο 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 Σχ. 2-30 FT και JT transistors Το FT είναι συσκευή στην οποία το ρεύµα εξόδου ελέγχεται µε ένα ηλεκτρικό πεδίο που ουσιαστικά δηµιουργείται από την τάση πόλωσης, ενώ το JT είναι συσκευή ελεγχόµενη µε ρεύµα. Το JT διεγείρεται µε αύξηση του ρεύµατος εισόδου ενώ τα περισσότερα FT αποκόπτονται µε αύξηση της τάσης πολώσεως. Η αντίσταση εισόδου του FT είναι τεράστια (~ΜΩ) ενώ του JT σχετικά µικρή. Τα FT, δηλαδή, παρέχουν καλλίτερη αποµόνωση µεταξύ εισόδου και εξόδου, γι αυτό και τα FT είναι κατάλληλα γιά χρήση σε ενισχυτές. Τα FT έχουν µικρότερο εσωτερικό θόρυβο και καλλίτερη συµπεριφορά σε υψηλότερες θερµοκρασίες. Τα FT είναι µονοπολικές συσκευές µιάς και το ρεύµα διαρρέει µόνο έναν τύπο ηµιαγωγού υλικού, ενώ τα JT είναι διπολικές. Τα FT έχουν σαν µειονέκτηµα το σχετικά µικρό γινόµενο κέρδος " εύρος ζώνης (Gain " W) σε σχέση µε τα JT. 42

Υπάρχουν δύο ειδών FT. Τα Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (Junction Filed ffect Transistors - JFT) και τα Οξειδίου Μετάλλου Ηµιαγωγού (Metal Oxide Semiconductor FT - MOSFT). Θα ασχοληθούµε µόνο µε τα πρώτα. 2.2.1 Transistor Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (Junction Filed ffect Transistors - JFT) Ανάλογα µε το ηµιαγωγό υλικό του διαύλου τα JFT µπορεί να είναι τύπου n ή p (σχ. 2-31). Το άλλο υλικό αποτελεί την πύλη. Drain (Υποδοχή) Drain (Υποδοχή) Gate (Πύλη) Gate (Πύλη) Source (Πηγή) Source (Πηγή) (a) (b) Σχ. 2-31 Σύµβολα JFT (a) διαύλου-n (b) διαύλου-p Σχ. 2-32 Κατάλληλα πολωµένα JFT (a) διαύλου-p (b) διαύλου-n Το σχ. 2-32 δείχνει κατάλληλα πολωµένα n-jft και p-jft. Το ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο που αναπτύσσεται στο µέσο του διαύλου από την τάση της πύλης αυξάνει την περιοχή ανάµιξης (depletion layer) και αυξάνει την αντίσταση του διαύλου, δρώντας σαν βαλβίδα. Στην περίπτωση της συνδεσµολογίας του σχ. 2-32 έχουµε την περίπτωση ενός αυτοπολωµένου n-jft ( ). Αρχικά, όσο αυξάνει η τάση αυξάνει και το ρεύµα αλλά επειδή αυξάνει και η περιοχή ανάµειξης για µία χαρακτηριστική τιµή φτάνει σε ένα επίπεδο κορεσµού, µέχρι βεβαίως να φτάσει η τάση σε κάποια µέγιστη τιµή (σχ. 2-33). 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. 43

Σχ. 2-33 JFT πολωµένο µε και η χαρακτηριστική του Στο σχ. 2-34, βλέπουµε το κύκλωµα ενός n-jft και τις αντίστοιχες καµπύλες γιά διάφορες τιµές της τάσεως πολώσεως. Το ρεύµα φραγής για δίδεται σε σχέση µε το από την σχέση (2.33) Στο σχ. 2-35 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. Σχ. 2-34 Κύκλωµα n-jft και χαρακτηριστικές καµπύλες για διάφορες. 44

Σχ. 2-35 Ανιχνευτής στατικού φορτίου µε JFT. 2.3 Διπολικά transistor Μονωµένης Θύρας (nsulated Gate ipolar Transistor - GT) Τα GT είναι ένας τύπος υβριδικού transistor (σχ. 2-36) που δανείζεται χαρακτηριστικά τόσο από τα JT (µικρή τάση µετάβασης στη κατάσταση ΟΝ, δυνατότητα χειρισµού ρεύµατος µεγαλύτερη και από τους Darlington ) όσο και τα MOSFT (πύλη µεγάλης φαινόµενης αντίστασης που απαιτεί µικρό ποσό ενέργειας για µετάβαση στην κατάσταση ΟΝ). Τα GT έχουν χρόνο µετάβασης κατάστασης ~1µs και τάση και ρεύµα λειτουργίας που ξεπερνά τα 1200 V και 300 A. Σχ. 2-36 Σύµβολο και ισοδύναµο κύκλωµα GT Τα GT χρησιµοποιούνται όλο και πιο πολύ σε αναστροφείς και κόφτες κινητήρων, επαγωγικές θερµάστρες, ενεργά φίλτρα, πηγές αδιάλειπτου λειτουργίας (uninterruptible power supplies - UPS) και συστήµατα συγκολλήσεων υψηλής συχνότητας. Στο σχ. 2-37 φαίνεται ένα σύστηµα συγκόλλησης που χρησιµοποιεί πηγή ισχύος υψηλής συχνότητας. Το ρεύµα υψηλής συχνότητας (10 khz έως 500 khz) 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 ft/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. Τα GT χρησιµοποιούνται γιατί έχουν χαµηλό χρόνο αλλαγής κατάστασης και δυνατότητα χειρισµού µεγάλου ρεύµατος. 45

Σχ. 2-37 Σύστηµα συγκόλησης µε πηγή ισχύος υψηλής συχνότητας 46