Bipolarni tranzistor je trielektrodni polprevodniški elektronski sestavni del , ki je namenjen za ojačevanje električnih signalov. Prvi tranzistor so izdelali v Bellovih laboratorijih - Bell Telephone Laboratories leta 1948. Izumitelji Bardeen, Brattain in Shockley so leta 1956 za to delo prejeli Nobelovo nagrado. |
Zgrajen je iz treh plasti polprevodnika, ki se izmenoma menjujejo. Odvisno od rarporeditve polprevodniških plasti, dobimo dva tipa tranzistorja:
a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
Tranzistor ima tri priključke, ki se imenujejo
BAZA, KOLEKTOR in EMITOR.Zanj sta značilna dva PN spoja
: emitorski med bazo in emitorjem in kolektorski med bazo in kolektorjem.Ker ima tranzistor dva PN spoja, ga lahko predstavimo kot dve diodi, ki imata skupni polprevodnik baze.
Da bo tak tranzistor deloval in bo v aktivnem področju, mu moramo zagotoviti naslednje tri pogoje:
Tranzistor uporabljamo v najrazličnejših elektronskih vezjih:
Napetosti in tokovi tranzistorja
Emitorski PN spoj tranzistorja mora biti priključen na prevodno napetost, da bo dioda emitor – baza prevajala in bodo nosilci elektrine tekli iz emitorja v bazo.Tok bomo imenovali Ie. Napetost med bazo in emitorjem imenujemo Ube in je pri silicijevih tranzistorjih 0,7V. V bazo se zaključuje majhen bazni tok Ib.
Za zaporno napetost kolektorskega spoja poskrbi napetost Uce, ki mora biti večja od napetosti Ube, da bo kolektor pozitivnejši od baze. Tok, ki ga poganja ta napetost skozi tranzis
tor imenujemo kolektorski tok Ic.
Za vozlišče, ki ga predstavlja tranzistor velja enačba:
IE = IB + IC
Razmerja med posameznimi tokovi pa nam podajajo kratkostični tokovni ojačevalni faktorji.
Kolektorski tok je nekoliko manjši kot emitorski zato, ker se del tega toka porabi za tok baze. Kolektorski tok je za faktor a manjši od emitorskega:
IC = a IE ; kratkostični tokovni ojačevalni faktor
a = 0,99 kratkostièni tokovni ojaèevalni faktor za orientacijo s skupno bazo, ki je vedno manjši od 1!
Razmerje med baznim in kolektorskim tokom ( pomembno za orientacijo s skupnim emitorjem) dobimo:
kratkostični tokovni ojačevalni faktor
IC = b IB
b kratkostični tokovni ojačevalni faktor pri orientaciji s skupnim emitorjem nam pove koliko krat je kolektorski tok večji od baznega. b je večji od 1 (tipično 100) .
Oba faktorja sta odvisna od zgradbe tranzistorja in sta pri različnih tranzistorjih različna.
kratkostični tokovni ojačevalni faktor a
UBE napetost med bazo in emitorjem
UCB napetost med kolektorjem in bazo
UCE napetost med kolektorjem in emitorjem
UCC napetost baterije (izvora napajanja)
IB bazni tok
IC kolektorski tok
IE emitorski tok
ICB0 tok nasičenja med kolektorjem in bazo
ICE0 tok nasičenja tranzistorja
ICES tok pri kratko sklenjeni bazi tranzistorja
Tok nasičenja med kolektorjem in bazo I
CB0 teče zaradi zaporno polarizirane diode in teče v bazo. Ker teče v bazo se b krat ojača in dobimo kolektorski tok nasičenja, ki ga imenujemo ICE0 - tok nasičenja tranzistorja.(0 v indeksu pomeni, da je tretji priključek tranzistorja nepriključen, S pa, da je kratko sklenjen).
Vhodna in izhodna karakteristika tranzistorja
Vhodn
i PN spoj (dioda) tranzistorja je med bazo in emitorjem in je prevodno priključen. Vhodna karakteristika bo zato enaka, kot karakteristika diode v prevodni smeri. Prevajanje se začne šele pri napetosti kolena nato pa tok strmo narašča.
Izhodna karakteristika nam podaja razmerje med napetostjo UCE in kolektorskim tokom IC
. Kolektorski tok je zaporno polariziran. Če ni baznega toka, dobimo na izhodu samo tok nasičenja ICE0. Z naraščanjem baznega toka pa se bo večal tudi kolektorski tok, v skladu z enačbo, ki podaja povezavo med baznim in kolektorskim tokom:IC = b IB
Omejitve pri delovanju tranzistorja
Delovanje tranzistorja je omejeno s prevelikim tokom, ki povzroča pregrevanje povezav v tranzistorju, s preveliko napetostjo na kolektorskem spoju zaradi katere pride do preboja in preveliko porabo moči pri kateri pride do toplotnega uničenja tranzistorja.
Poleg teh omejitev, ki povzročijo uničenje tranzistorja, imamo še omejitve pri minimalni napetosti na tranzistorju, ko hočemo tranzistor čim bolj odpreti, z napetostjo nasičenja
pod katero ne moremo.Druga omejitev je še
tok nasičenja tranzistorja, ko tranzistor zapremo in še teče nek zelo minimalen tok ICE0.
Vse navedene omejitve nam omejujejo prostor na izhodni karakteristiki, ki ga imenujemo delovno področje v katerem lahko tranzistor normalno deluje.
Če želimo hitro preizkusiti, če je tranzistor dober, ga izmerimo z ohmetrom. Ker vemo da tranzistor vsebuje dve diodi in to od baze proti kolektorju in od baze proti emitorju, lahko ti dve diodi izmerimo. Pri eni polarizaciji mora biti med bazo in kolektorjem in med bazo in emitorjem, majhna upornost (prevodna smer diode) ali pri drugi polarizaciji, velika upornost (zaporna smer diode). Ali bo prevodna ali zaporna smer diode je odvisno od tipa tranzistorja NPN ali PNP. |
Breme, delovna premica in delovna točka
Na izhodu tranzistorja priključimo breme, ki je lahko ohmski upor, vhod naslednje ojačevalne stopnje, rele in podobno. Breme je tudi tisti element, ki nam ščiti tranzistor pred prevelikim tokom in uničenjem.
Zaporedno z tranzistorjem v kolektorski tokokrog priključimo ohmski upor R
C, ki predstavlja bremensko ali delovno upornost. Kolektorski tok (IC), ki teče skozi upor RC, ustvari na njem padec napetosti URC.
Po Kirchoffovem zakonu lahko napišemo enačbo za kolektorski tokokrog:
Če zadnjo enačbo prikažemo v izhodni karakteristiki, dobimo premico, ki ji pravimo
enosmerna delovna premica.Delovna premica prikazuje povezavo med kolektorskim tokom (IC) in napetostjo med kolektorjem in emitorjem (UCE
). Če poznamo bazni tok IB, lahko s pomočjo kolektorskega toka IC = b .IB poiščemo napetost UCE .Delovno premico narišemo tako, da si izberemo točki
, v katerih seka abscisno (UCE) in ordinatno (IC) os.Pri IC=0 je to napajalna napetost UCC.
Pri UCE
=0 pa je to tok določen z
Če spreminjamo upornost bremena, potem se v karakteristiki spremeni tudi nagib delovne premice. Skupna je le točka na U
CE = UCC.Točno vrednost napetosti in toka na izhodu pa nam v izhodni karakteristiki določa točka, ki jo dobimo v presečišču delovne premice in tranzistorske karakteristike pri določenem baznem toku na vhodu. To točko imenujem
o delovna točka tranzistorja.Z lego delovne točke je določen izhodni tok I
C in izhodna napetost UCE.Delovna premica je določena z napajalno napetostjo U
CC in bremenskim uporom RC.Delovna točka, ki vedno leži na delovni premici pa je določena z baznim
tokom IB.Delovna točka in delovna premica nam določata izhodno napetost in izhodni tok tranzistorja v aktivnem področju delovanja (v mirovanju).
Nastavitev delovne točke z uporom na bazi
Enosmerni bazni tok, ki je potreben za postavitev delovne točke
tranzistorju zagotovimo z baznim uporom RB.Najprej ugotovimo potreben bazni tok iz lege delovne točke, nato pa s pomočjo padca napetosti na baznem uporu izračunamo upornost R
B.
Primer:
Delovna točka je nameščena na sredino delovne premice. Iz položaja delovne premice in delovne točke ugotovimo:
IC = 20mA, UCE = 10V, IB = 200m A in RC = 500W ter UCC = 20V
Upor RB
določimo po Ohmovem zakonu RB = URB / IB.Manjkajočo napetost U
RB dobimo s pomočjo Kirchoffovega napetostnega zakona:
UCC = URB + UBE
URB = UCC – UBE = 20V – 0,7V = 19,3V
URB 19,3V
RB = ------- = -------- = 96,5 kW
IB 200m A
Če bi vrednost upora spreminjali bi se spreminjal tudi položaj delovne točke:
Z zmanjšanjem upornosti RB
, bi se povečal bazni tok, s tem bi se povečal tudi kolektorski tok in delovna točka bi se pomaknila po delovni premici navzgor. S pomikanjem delovne točke pa lahko pride tranzistor v področje nasičenja, če se delovna točka pomika navzgor po delovni premici ali pa v področje prekinitve, če se pomika navzdol po delovni premici.
Nastavitev delovne točke z delilnikom napetosti
Tranzistorji istega tipa imajo različno tokovno ojačanje b
, zato pri istem baznem toku IB, ki ga določa bazni upor RB, teče različni kolektorski tok IC in s tem različni položaj delovne točke.Nekoliko boljšo nastavitev delovne točke lahko dosežemo z delilnikom napetosti.
Delilnik napetosti predstavljata dva ali več zaporedno vezanih uporov, na katerih so velikosti padcev nap
etosti premosorazmerni upornosti posameznih uporov.
V našem vezju predstavljata delilnik napetosti upora RB1 in RB2
. Izbrana sta tako, da je prečni tok IP skozi upora mnogo večji od baznega toka IP > IB. V tem primeru sprememba baznega toka ne vpliva v tolikšni meri na razporeditev padcev napetosti na uporih.
|
Primer izračuna upora RB1 in RB2, če je podano: RC=2kW , UCC=9V, b =100.
Izračun:
Najprej izračunamo bazni tok I
B , ko je delovna točka na sredini delovne premice:
Nato izračunamo prečni tok Ip, ki naj bo 10-kret večji od baznega:
Ip=10.IB = 10 . 22,5uA = 225uA
Izračunamo upor R
B2 , skozi katerega teče tok Ip, padec napetosti pa je enak prevodni napetosti med bazo in emitorjem URB1 = UBE:
Tok skozi upor Rb1 je enak vsoti prečnega in baznega toka Ip+Ib, padec napetosti pa dobimo s pomočjo drugega Kirchhoffovega zakona:
Tako dobimo upornost upora Rb1:
Tranzistor v orientaciji s skupnim emitorjem
Vezje predstavlja ojaèevalnik s tranzistorjem, ki je vezan v orientacijo s skupnim emitorjem. Delovna toèka je stabilizirana z emitorskim uporom RE, kondenzator CE nam za izmeniène napetosti kratko veže emitorski upor. Kondenzatorja C1 in C2 prepreèujeta vpliv zunanjih virov napetosti in upornosti na postavljeno delovno toèko (enosmerne razmere). Na izhodu ojaèevalnika je prikljuèeno breme Rbr, ki je lahko vhodna upornost naslednje ojaèevalne stopnje.
Izraèun uporov za postavitev enosmerne delovne toèke:
Izračun izmeničnih veličin analize
Nadomestna vezava:
Ojaèevalnik s tranzistorjem v orientaciji s skupnim emitorjem najpogosteje uporabimo zaradi ugodnih karakteristik in velikega napetostnega in tokovnega ojaèenja. Uporaben je v podroèju nizkih in srednjih frekvenc. Vhodni in izhodni signal sta v protifazi zato tudi negativni predznak napetostnega ojaèenja.
Preklopne lastnosti tranzistorja
Stikalo ima dve stanji: odprto, tok ne teče in upornost je neskončna ter zaprto, ko teče tok in je upornost minimalna (nič). Pri elektronskem stikalu pa je zelo pomembna poraba energije in čas preklopa oziroma vklopa in izklopa stikala.
Če uporabimo tranzistor kot elektronsko stikalo bo stikalo odprto ko bo tranzistor zaprt (točka A)
in ne bo prevajal toka. Takrat smo na dnu delovne premice, kjer teče le tok nasičenja (Iceo).Ko v bazo steče tok se delovna točka pomika navzgor do točke (B) in če še povečamo tok pridemo do nasičenja (točka C).
Tranzistor je popolnoma odprt, stikalo je sklenjeno. Na tranzistorju je majhna napetost nasičenja Uces.Tranzistor, ko je odprt ali zaprt, porabi malo energije. Ko se tranzistor odpira se tok povečuje in s tem tudi izgube na njem. Največja izguba na tranzistorju je takrat ko je delovna točka v sredini delovne premice. Ker pa ob preklopu hitro prečkamo to področje je povprečna izguba majhna in lahko zato delovno premico pomaknemo v področje večjih izgub ali tudi preko maksimalnih kolektorskih izgub tranzistorja.
Ko tranzistor začne prevajati (vklop) ne more zaradi svoje kapacitivnosti v hipu narasti tok, kar povzroči neko
zakasnitev vzpona (delay time) td. Čas v katerem kolektorski tok naraste od 10% do 90% se imenuje čas vzpona (rise time) tr. Ko tranzistor prevaja je v celotnem področju npn področja polno nosilcev elektrine (elektronov). Zaradi tega ob izklopu (zaprtju) tranzistorja moramo počakati, da nosilci odtečejo in se tranzistor zapre. Temu kopičenju nosilcev pravimo zakasnilni čas (storage time) ts. Ko tok upada od 90% do 10% maksimalnega toka imenujemo čas upadanja (fall time) tf.Ugotovima, da je čas vklopa (t
on = td + tr ) krajši od časa izklopa (toff = ts + tf), kjer nam kopičenje nabojev ts močno poveča čas izklopa.
Rele (elektromagnet, ki premika mehansko stikalo), tuljava elektromotorja ali podo
bne naprave so induktivna bremena tranzistorja, ki pa se drugače obnašajo kot ohmsko breme.Ob preklopu se skozi tuljavo spremeni tok, ki povzroči spremembo magnetnega pretoka. Zaradi tega se inducira napetost, ki temu toku nasprotuje.
Najbolj neugodna si
tuacija nastopi ob izklopu, ko tok skozi tranzistor in tuljavo hitro upade. V tuljavi se inducira napetost, ki ima tako polariteto, da se prišteva k baterijski napetosti in lahko prekorači maksimalno dopustno napetost Uce. Posledica je uničenje tranzistorja. Da to preprečimo vežemo vzporedno k tuljavi diodo, ki je tako polarizirana, da inducirano napetost kratko veže in jo omeji (limitira).
Kondenzator se polni in prazni z neko časovno konstanto t
= R× C. To povzroči, da izhodna napetost ne more slediti hitri spremembi napetosti. Pri tem pa je tudi odvisno od upornosti s katero polnimo ali praznimo kondenzator.Ko je kondenzator kot breme se pri zaprtem tranzistorju polni preko kolektorskega upora z neko časovno konstanto. Ko tranzistor odpremo se predhodno napolnjen kondenzator prazni preko tranzistorja, ki pa ima drugačno upornost kot kolektorski upor (navadno dosti manjšo). Pri tem lahko nastane tudi, da je tok praznjenja skozi tranzistor večji od maksimalnega dovoljenega toka s
kozi tranzistor Icmax.V vezju b) zmanjšamo tudi upornost polnjenja, saj ga polnimo tudi skozi tranzistor T1, ki ima majhno upornost.