TRANZYSTOR BIPOLARNY

TRANZYSTOR
BIPOLARNY
Tranzystor
Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element
elektroniczny, posiadający zdolność
wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa
tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu
"transfer resistor", który oznacza element
transformujący rezystancję.
Tranzystory - rodzaje
Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów,
które różnią się zasadniczo zasadą działania:
1. Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy
jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie
prądowe).
2. Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w
których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia
(sterowanie napięciowe).
Jakub Dawidziuk
piątek, 21 lipca 2017
Idea
tranzystora
bipolarnego
Tranzystory
(jako elementy dyskretne)
Tranzystory
PODSTAWY ELEKTRONIKI – Jakub Dawidziuk
20 października 2006
Symbol graficzny tranzystora bipolarnego pnp
Symbol graficzny tranzystora bipolarnego npn
Budowa tranzystora bipolarnego npn
Tranzystor bipolarny - zasada działania
Tranzystor npn
Tranzystor pnp
Zastosowania tranzystorów
Zastosowania tranzystorów: łącznik
Łącznik tranzystorowy (npn)
Łącznik tranzystorowy (pnp)
Obszary pracy tranzystora npn
Polaryzacja normalna
Stany pracy tranzystora
przewodzi
zatkane
Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:
•stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane
Nie mylić prądusą w kierunku
kolektora IC z
zaporowym,
diody przewodzenia,
baza•stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane sąprądem
w kierunku
kolektor.
•stan aktywny (normalny):
złącze BE spolaryzowane
w kierunku
UCB
przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,
•stan aktywny inwersyjny (inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku
przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).
UCE
Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy
wykorzystywanym we wzmacniaczach;
w tym zakresie pracy tranzystor
IB
charakteryzuje się dużymU
wzmocnieniem
prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset).
BE
Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak
również w układach cyfrowych.
Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany, ponieważ ze
względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi
parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym
wzmocnieniem prądowym.
Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące
warunki:
•dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera,
•dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera,
•„dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektorbaza w kierunku zaporowym,
•nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC, IB, UCE, moc wydzielana na kolektorze
IC· UCE, temperatura pracy czy też napięcie UBE.
npn
pnp
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki
to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać:
IC=hFE· IB=b·IB
gdzie hFE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą.
Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300A/A dla tego samego typu tranzystora, a
więc nie jest dobrym parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu.
Tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane
zaporowo (bateria EC), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria
EB)
Rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze
baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p
do obszaru n IB1 oraz przepływ elektronów z obszaru
n do obszaru p IB2.
Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się
tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji
oddalają się od złącza emiterowego (złącze E). Część
tych elektronów łączy się z dziurami, których w
bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie
elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektorbaza (złącze C) są unoszone do obszaru kolektora.
Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie
wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do
bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby
strata elektronów w bazie była jak najmniejsza.
Tranzystor bipolarny (BJT) npn – układy połączeń
Tranzystor bipolarny (BJT) pnp – układy połączeń
Układ o wspólnej bazie
RL-oporność obciążenia
Wzmocnienie
napięciowe ku
Wzmocnienie
prądowe ki
Wzmocnienie mocy
kp
Rezystancja
wejściowe RI
Rezystancja
wyjściowa RO
Przesunięcie fazy
największe
małe α ≤ 1
duże
najmniejsza
największa
0o
Układ o wspólnym emiterze
Wzmocnienie
napięciowe ku
duże
Wzmocnienie
prądowe ki
Wzmocnienie mocy
kp
Rezystancja
wejściowe RI
Rezystancja
wyjściowa RO
Przesunięcie fazy
duże - β
największe
mała
duża
180o
Układ o wspólnym kolektorze
Wzmocnienie
napięciowe ku
Wzmocnienie
prądowe ki
Wzmocnienie mocy
kp
Rezystancja
wejściowe RI
Rezystancja
wyjściowa RO
Przesunięcie fazy
małe ≤1
największe - β + 1
małe
największa
najmniejsza
0o
Charakterystyki U-I tranzystora npn w konfiguracji OE
Prąd kolektora IC jest tu funkcją napięcia
baza-emiter UBE. Charakterystyka ta ma
charakter wykładniczy.
Charakterystyka wyjściowa tranzystora,
która przedstawia zależność prądu
kolektora IC od napięcia kolektor-emiter
UCE przy doprowadzonym napięciu
wejściowym baza-emiter UBE. Zauważmy,
że:
• powyżej pewnego napięcia prąd
kolektora prawie nie zależy od napięcia
UCE,
• do wywołania dużej zmiany prądu
kolektora IC wystarczy mała zmiana
napięcia baza-emiter UBE.
Punkt, w którym następuje zagięcie
charakterystyki wyjściowej nazywany jest
napięciem nasycenia kolektor-emiter
UCEsat.
Charakterystyki wyjściowe tranzystora npn
(przykłady OB i OE)
OB
W ukł. OB prąd Ic płynie nawet przy Ucb=0!
Prąd kolektora w niewielkim stopniu zależy
od Ucb.
OE
Tranzystor bipolarny w konfiguracji OE – obszary pracy
Wybór punktu pracy
•Punkt pracy musi znajdować się poniżej
hiperboli mocy admisyjnej
•Jeżeli tranzystor współpracuje w układzie
dzielnika napięcia z rezystorem Rc, przestrzeń
punktów pracy ogranicza się do prostej
opisanej równaniem : UCE=Ucc-RcIC (tzw. prosta
obciążenia). W praktyce należy tak dobrać
napięcie zasilania wzmacniacza Ucc oraz opór
pracy Rc , by prosta ta była styczna do
hiperboli obciążenia (lub przebiegała nieco
poniżej).
•Prosta obciążenia przecina oś napięć
kolektor-emiter w punkcie Ucc, a oś prądów
kolektora w punkcie Ucc /Rc. Żaden z tych
parametrów
nie
może
przekraczać
maksymalnych wielkości tranzystora (ICmax,
UCEmax) dopuszczonych przez producenta.
Prosta obciążenia
Dla IC=0 mamy
UCC=URc+ UCE
0=-UCE/RC+UCC/RC
UCC=IC· RC+ UCE
czyli UCE=UCC , co daje punkt A.
Dla UCE=0 mamy IC=UCC/RC, co daje punkt B.
y = - ax +
b
Zmiana punktu pracy spowodowana zmianą RC
lub UCC nie powoduje zmian prądu IC.
Wzmacniacz klasy A
90 uA
80 uA
70 uA
IC
60 uA
Nasycenie
50 uA
40 uA
30 uA
20 uA
Punkt pracy
10 uA
0 uA
Odcięcie
UCE
IB
Wzmacniacz klasy B
90 uA
IC
80 uA
70 uA
60 uA
Nasycenie
50 uA
40 uA
30 uA
20 uA
Punkt pracy
10 uA
0 uA
Odcięcie
UCE
IB
Układy polaryzacji tranzystorów
Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy
Bardzo małe zmiany UBE wywołane rozrzutem parametrów tranzystora oraz
zmianami temperatury powodują duże zmiany prądu kolektora IC, a co za tym
idzie zmiany UCE.
UCC=URC+ UCE=IC· RC+ UCE
UBE=UCC · (R2/(R1 + R2))
Układy polaryzacji tranzystorów
Układ z wymuszonym prądem bazy
• Obliczenie RB
UCC=URC+ UCE=IC· RC+ UCE
UCC=URB+ UBE=IB· RB+ UBE
Stąd RB=(UCC- UBE)/IB
=(UCC- 0.65)/IB
Po wybraniu punktu pracy znamy IB
i możemy obliczyć RB.
Dla układu polaryzacji z wymuszonym prądem
bazy punkt pracy tranzystora praktycznie nie
zależy od zmian napięcia baza-emiter.
Pozostaje jednak silna zależność punktu pracy
od współczynnika b, który nie tylko ma duży
rozrzut ale również dosyć mocno zależy od
temperatury, zmienia się bowiem nawet o
1%/°C.
•
Wpływ zmiany UBE
IB=(UCC- UBE)/RB
Jeżeli napięcie UBE zmieni się o wartość DUBE
to prąd bazy musi się zmienić o wartość
DIB=DUBE/RB
wówczas
ΔIB/IB= ΔUBE/(UCC- UBE)<<1
Ponieważ IC= b · IB to względna zmiana prądu kolektora jest taka sama
Układy polaryzacji tranzystorów
Układ ze sprzężeniem kolektorowym
Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i
sprzężeniem emiterowym
IRC=IC+ IB
UCC=URC+ UCE
UCC=IRC· RC+ UCE=(IC+ IB) · RC+ UCE
UCE=URB+ UBE=IB· RB+ UBE
IC=(UCC- UBE)/(RC + RB/ b)
Układ nie dopuszcza aby tranzystor wszedł
w stan nasycenia.
IC=(UB- UBE)/(RE + RB/ b)
Ten układ poprawia stałość
punktu pracy
Pasmo wzmocnienia tranzystora
•
•
•
•
Pasmo wzmocnienia jest określone przez
własności
tranzystora
(jego
wielkości
pasożytnicze) oraz sposób jego współdziałania
z obwodem wzmacniacza.
1. Pasożytnicze pojemności tranzystora :
Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje
się różnymi wielkościami pasożytniczymi, z
których najważniejsze to: rozproszona
rezystancja bazy rbb oraz pojemności bazaemiter Cbe i baza-kolektor Cbk
Pasożytnicza pojemność między bazą a
emiterem (Cbe) tworzy wraz z rozproszoną
rezystancją bazy (rbb) filtr dolnoprzepustowy,
który przy wysokich częstotliwościach
bocznikuje złącze baza-emiter, zmniejszając
przepływający przezeń
prąd sterujący
tranzystor.
W rezultacie
współczynnik
wzmocnienia prądowego tranzystora maleje
wraz ze wzrostem częstotliwości powyzej fT ;
powyżej tej częstotliwości współczynnik
wzmocnienia prądowego β jest mniejszy od
jedności.
Pasmo wzmocnienia tranzystora
•
2. Efekt Millera.
W pewnych układach - np. we wzmacniaczu o
wspólnym emiterze - pasmo przenoszenia jest
znacznie mniejsze niż fT na skutek oddziaływania
pasożytniczej pojemności kolektor - baza Ckb.
rezystancją źródła sygnału RWYG i rozproszoną
rezystancją bazy rbb. W układzie tym napięcie
wyjściowe - będące napięciem kolektora - ma fazę
przeciwną niż napięcie wejściowe, czyli napięcie
bazy. Przy wysokich częstotliwościach prąd z
kolektora przenika do bazy przez układ górno
przepustowy Cbk(RWYG+rbb), osłabiając sygnał
sterujący tranzystor. Jest to tzw. efekt Millera.
•
Oddziaływanie sygnału wyjściowego na sygnał
wejściowy nazywamy sprzężeniem zwrotnym
•Pasmo przenoszenia wzmacniacza określa się podobnie jak pasmo przenoszenia filtru : dla częstości
granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze o
w stosunku do wzmocnienia
1/ 2
maksymalnego.
Pasmo wzmocnienia wzmacniacza
Dobór pojemności sprzęgającej C1 powinien
uwzględniać pasmo przenoszenia wzmacniacza,
gdyż C1 wraz z rezystancją wejściową układu
tworzą filtr górno przepustowy. Dla wysokich
częstotliwości pasmo przenoszenia wzmacniacza
jest ograniczone przez własności tranzystora.
Jeżeli budowany jest wzmacniacz o wspólnym
emiterze, ze względu na efekt Millera
katalogowa częstotliwość graniczna tranzystora
fT powinna być przeszło 100 razy większa niż
przewidywana
górna
granica
pasma
przenoszenia wzmacniacza.
Przykład wzmacniacza tranzystorowego
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
Tranzystor jako klucz elektroniczny
Tranzystor jako klucz elektroniczny