Orbis pictus 21. století

1. Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

2. Orbis pictus 21. století Princip tranzistorů II. Obor: ElektrikářRočník: 1.Vypracoval:Ing. Jiří Šebesta, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

3. Uvažujme bipolární tranzistor v zapojení SE • Základními charakteristikami tohoto tranzistoru jsou tzv. výstupní charakteristiky (závislost kolektorového proudu na napětí kolektor emitor pro parametr bázového proudu).

4. Výstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru lze rozdělit na dvě oblasti. • Oblast aktivní, kdy je napětí UCE dostatečně vel-ké, volné elektrony, které prolétnou přes bázi do kolektoru jsou přitahovány kladným dostatečným napě-tím kolektoru. • Druhou oblastí je sa-turace, kdy je napětí UCE již malé a tranzistor přestává zesilovat. • Hranici mezi oblastmi tvoří saturační přímka.

5. Do výstupní charakte-ristiky tranzistoru lze zakreslit zatěžovací přím-ku, která odpovídá hod-notě zatěžovacího rezis-toru. Např. pro zelenou zatěžovací přímku je odpor • Nastavme proud báze na hodnotu 80 mA, pak průsečík výstupní chara-kteristiky pro tento proud a příslušná zatěžovací přímka definují pracovní

6. bod tranzistoru P1, který přesně definuje aktuální napěťové a prou-dové poměry ve výstupním obvodu tranzistoru.  Napětí kolektor – emitor je 2 V. Zbytek napětí do hodnoty napájecího napětí musí být na zatěžovacím rezistoru (zatěžovací rezistor a obvod CE tranzistoru jsou v sérii):  Kolektorový proud je z grafu 2,45 A, lze jej také dopočítat z úbytku napětí na zatěžovacím rezistoru:

7. Ve výstupních charakteristikách je naznačen i druhý případ, kdy zatěžovací rezistor bude odpovídat tmavě modré zatěžovací přímce. Jeho odpor je: • Pro bázový proud 80 mA do-staneme pracovní bod P2, napětí UCE teď bude 5,6 V. Na zátěži bude 5,4 V a kolektorový proud je 2,46 A. • Pro zmenšující se ohmickou hodnotu zátěže roste napětí UCE na tranzistoru, klesá napětí na zátěži a také výkon na zátěži klesá.

8. Na této výstupní chara-kteristice tranzistoru je znázor-něn vliv změny bázového proudu. Postupné zvyšování bázového proudu posouvá pracovní bod po zatěžovací charakteristice (od tmavě modrého) k větším kolek-torovým proudům. Současně klesá napětí UCE, až pro IB = 140 mA (růžový pracovní bod) se dostaneme do saturace,tranzistor je plně otevřen, další zvyšování bázového proudu již nezvyšuje proud kolektorový, proudový zesilovací činitel začíná klesat.

9. Na této výstupní chara-kteristice tranzistoru je znázor-něn vliv změny napájecího napětí výstupního obvodu. Zatěžovací odpor zůstává stejný (rovnoběžné zatěžovací přímky). Postupné snižování napájecího napětí (od 12 V po 4 V) posouvá pracovní bod po zatěžovací charakteristice (bázový proud je nastaven na 60 mA) k nižším napětí UCE. Pro napájecí napětí 4 V se již dostáváme do saturace, klesá nejen napětí UCE, ale i kolektorový proud.

10. V této výstupní chara-kteristice tranzistoru je znázor-něn optimální pracovní bod – buzením bázovým proudem 80 mA pro zatěžovací odpor 2  dostaneme napětí UCE 5 V a IC 2,5 A. Na zátěži je také úbytek 5 V. Je zřejmé, že při změně bázového proudu (například přidaným audio-signálem) se budeme pohybo- vat v lineární oblasti (daleko od saturce, daleko od zahrazení).  Žlutá oblast definuje ztrátový výkon na tranzistoru, tzv. kolektorovou ztrátu (na bázi je ztráta nepoměrně menší):

11. V této výstupní chara-kteristice tranzistoru je zobrazena aktivní pracovní oblast. Ta je omezena jednak maximálním napětím UCEmax (10 V), pak také maximálním kolektorovým proudem ICmax (4 A) a maximální výkonovou kolektorovou ztrátou PCmax – definuje ji růžová křivka (cca 20 W).  Žlutá oblast definuje bezpečnou oblast, kdy nedojde ke zničení tranzistoru. V této oblasti je třeba volit vhodný pracovní bod.

12. V této výstupní charakteristice tranzistoru je zobrazen princip tranzistoru jako zesilovače střídavého signálu (sinusovky). Pracovní bod je nastaven do bodu Q (bázový proud 0,1 mA). Pokud na tento proud na-superponujeme (přidáme) ma-lý střídavý signál (s rozkmitem 0,1 mA), kolektorový proud jej bude kopírovat s rozkmitem 4 mA. Napětí kolektor – emitor se bude rovněž měnit v rytmu vstupního signálu, avšak inverzně (např. v čase  je vstupní signál maximální - bázový proud je 0,15 mA, napětí UCE je však minimální cca 6 V). Říkáme, že zesilovač s tranzistorem zapojeným SE je invertující.

13. Mimo zapojení bipolárního tranzistoru SE se používá i zapojení se společným kolektorem SC. • Výhodou tohoto zapojení je velký vstupní odpor, který nezatěžuje gene-rátor a naopak malý výstupní odpor. Toto zapojení se používá k transformaci malého odporu na velký a nazývá se emitorový sledovač. • Poslední variantou je zapojení se společnou bází SB. • Zapojení se používá pro vysoko-frekvenční zesilovače, kdy může dosá-hnout lepších výsledků než zapojení SE .

14. Unipolární tranzistory se na rozdíl od bipolárních vyznačují tím, že při jejich otevření vznikne jediný kanál (s jedním majoritním nosičem – např. volné elektrony) • Mimo klasických příměsových o-blastí P a N obsahuje unipolární tranzistor izolační vrstvu (žlutá oblast) z oxidu křemičitého, která odděluje hradlo H nebo také gate G (čti gejt) (řídící elektroda odpovídající bázi u bipolárního tranzistoru). • Dalšími elektodami je emitor E neboli source S (čti sórs) a kolektor C neboli drain D (čti drejn). • V klidu odpovídá struktuře tranzistoru horní obrázek, oblasti N jsou velmi silně dotovány. • Jakmile bude mezi hradlem a emitorem kladné napětí, volné

15. elektrony ze silně dotované oblasti N emitoru se vysunou směrem ke hradlu pod vrstvu izolace a vznikne kanál (tzv. indukovaný kanál), kterým se pak mohou elektrony volně pohybovat mezi emitorem a kolektorem (spodní obrázek). • Uvedený případ odpovídá tzv. MOS-FETtranzistoru s indukovaným N-kanálem (FET = „Field Effect Transistor“ – napětí na hradle generuje pole ovlivňující stav kanálu). • Bude-li vznikat P kanál (výměna oblastí v obrázku struktury -nosičem budou majoritní díry), jedná se o tzv. MOS-FET tranzistor s indukovaným P-kanálem (šipka ve schématické značce bude opačně, viz dále) • Existují i varianty, kdy bez napětí je kanál vytvořen a napětím na hradlu se pak zaškrcuje (vypuzují se volné nosiče) – takovým

16. MOS FET tranzistorům se říká sochuzovacím kanálem. Ve schématické značce není kanál přerušovaný.  Kanál je indukován nebo ochuzován napětím UGS, tzn. že unipolární tranzistory jsou řízeny napětím (u bipolárních je řízení proudové).

17. Výstupní charakteristiky MOS-FET tranzistoru s indukovaným N-kanálem se dělí na oblast saturace (vpravo za přerušovanou čarou – zvyšování napětí UDS již nezvyšuje proud ID) a oblast kde se tranzistor chová jako napětímřízený odpor (vlevo od přerušované čáry – řídící napětí mění strmost křivky – a tedy i odpor kanálu RDS).

18. Výstupní charakteristiky MOS-FET tranzistoru s ochuzovacím N-kanálem jsou obdobné jako u tranzistoru s obohacovacím kanálem, řídící napětí UGS však může být záporné (proces ochuzení) nebo i kladné (oblast dalšího obohacení). Z chara-kteristik je zřejmé, že kanál je otevřený i při nulovém napětí UGS. • Mimo uvedené typy MOS-FET, existují tranzistory J-FET, které se chovají stejně jako ochuzovací MOS-FET, jen řídící napětí UGS nemůže být větší než 0 V u N-kanálu.

19. Děkuji Vám za pozornost Jiří Šebesta Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky