ELEKTRONIČKI SKLOPOVI Bipolarni tranzistor ELEKTRONIČKI SKLOPOVI

Premda je bilo i ranijih istraživanja, zasluga za otkriće tranzistora pripala je 1947. godine Williamu Shockleyu. Prvi tranzistori bili su izvedeni od dopiranog germanija, dok je prvi silicijski tranzistor proizveden od tvrtke Texas Instruments 1954. godine. Uslijedio je brz razvoj poluvodičke tehnologije i brojne vrste novih vrsta različitih bipolarnih tranzistora. Prvi unipolarni MOS (Metal Oxide Semiconductor) tranzistor proizveden je već 1960. godine.

Tranzistori se prema konstrukciji i načinu rada dijele u dvije skupine: Bipolarni tranzistori BJT (engl. bipolar junction transistor), kod kojih vođenje struje ovisi o oba tipa nosilaca naboja Unipolarni tranzistori FET (engl. field effect transistor), kod kojih vođenje struje ovisi samo o jednom tipu nosioca naboja

Europske Oznake BIPOLARNOG tranzistora PRVO SLOVO OZNAČAVA POLUVODIČ: A – germanij, B – silicij. DRUGO SLOVO OZNAČAVA NAMJENU TRAN.: C – niskofrekvencijski (BC547), D – niskofrekvencijski snažni (BD139), F – visokofrekvencijski (BF199, BFQ57), U – visokonaponski (BU208), S- prekidački (BSY54, BCX57). TREĆE SLOVO NIJE STANDARDIZIRANO.

MNOGE ZEMLJE IMAJU SVOJE OZNAKE. AMERIČKE OZNAKE: 2N... – tranzistori (2N3055), 1N... – diode (1N4007). JAPANSKE: 2SA..., 2SB... – PNP – tranzistori (2SA850), 2SC..., 2SD... – NPN – tranzistori (2SC2001). MNOGE ZEMLJE IMAJU SVOJE OZNAKE.

Bipolarni tranzistor je komponenta s tri elektrode, koja posjeduje svojstvo pojačavanja u smislu da male promjene signala između ulazne i referentne elektrode, dovede do velike promjene signala između izlazne i referentne elektrode. Nazivi elektroda su E – emiter, B – baza, C – kolektor. Razlikujemo dvije izvedbe bipolarnog tranzistora: NPN – tranzistor, gdje su emiter i kolektor N-tip, a baza P-tip poluvodiča PNP – tranzistor, gdje su emiter i kolektor P-tip, a baza N-tip poluvodiča

POLARIZACIJA TRANZISTORA Za rad tranzistora potrebno je ostvariti određenu polarizaciju emiterskog i kolektorskog PN-spoja spajanjem istosmjernih izvora napajanja.

S obzirom da tranzistor ima tri elektrode (priključka), jedan se koristi kao ulaz, drugi kao izlaz, a treći je zajednički ulaznom i izlaznom krugu. Ovisno o zajedničkom priključku postoje tri vrste spoja: spoj zajedničke baze spoj zajedničkog kolektora spoj zajedničkog emitera Bipolarni tranzistor koristi se u analognim sklopovima za pojačavanje napona i struje, a u impulsnim i digitalnim sklopovima kao upravljiva sklopka (stanje jedinice i nule).

TEHNOLOŠKA IZRADA BIPOLARNOG NPN TRANZISTORA

NPN – spoj tranzistora

Spajanjem istosmjernih izvora napajanja UBE postiže se propusna polarizacija PN spoja baza-emiter. To znači da je napon između baze i emitera UBE pozitivan, jer je baza uvijek na većem potencijalu u odnosu na emiter kod NPN tranzistora. Spajanjem istosmjernog izvora napajanja UCB postiže se zaporna polarizacija PN spoja baza-kolektor, uz UCB > 0 V. Također kolektor je na većem potencijalu u odnosu na emiter. Kroz tako polariziran tranzistor teku tri struje: struja baze IB, struja kolektora IC i struja emitera IE.

PNP – spoj tranzistora

Spajanjem istosmjernih izvora napajanja UBE postiže se zaporna polarizacija PN spoja baza-emiter. To znači da je napon između baze i emitera UBE sada negativan, jer je baza na manjem potencijalu u odnosu na emiter kod PNP tranzistora. Spajanjem istosmjernog izvora napajanja UCB postiže se propusna polarizacija PN spoja baza-kolektor, uz UCB < 0 V. Također kolektor je na manjem potencijalu u odnosu na emiter. Može se zaključiti da je emiter tranzistora uvijek pozitivniji odnosno na većem potencijalu u odnosu na bazu i kolektor. Kroz tako polariziran tranzistor teku tri struje: struja baze IB, struja kolektora IC i struja emitera IE čiji su nosioci sada ŠUPLJINE!

Generalno, PNP tranzistori mogu zamijeniti NPN tranzistore u većini elektroničkih krugova, a jedina razlika je u polaritetu napona i smjeru struje. PNP tranzistori mogu se također koristiti kao sklopke u digitalnoj tehnici.

Načini spajanja bipolarnih tranzistora i strujna pojačanja

Statičke karakteristike tranzistora Za praktičnu primjenu tranzistora potrebno je poznavati odnose između pojedinih struja i napona tranzistora. Proizvođači tranzistora daju za svaki tip i osnovni spoj tzv. statičke karakteristike iz kojih se vide omjeri pojedinih struja i napona tranzistora. Za praktičnu primjenu najvažnije su ulazne, prijenosne i izlazne karakteristike tranzistora (kao primjer uzeti ćemo spoj zajedničkog emitera):

Ulazna karakteristika tranzistora Ulazne karakteristike tranzistora pokazuju međusobnu ovisnost struje baze IB i napona između baze i emitera UBE za određeni napon između kolektora i emitera UCE. Iz karakteristike se vidi da struja baze IB počinje teći tek kad napon UBE ima određeni iznos (za silicijske iznosi 0.5V). Proučite primjer 2.1. na strani 21.

prijenosna karakteristika tranzistora Prijenosna karakteristika prikazuje međusobni odnos struje kolektora IC i struje baze IB uz stalni napon UCE. Ona prikazuje da struja kolektora IC jako ovisi o struji baze IB (što je IB veća, veća je i IC). Iz prijenosne karakteristike vidi se da mala promjena ulazne struje, tj. struje baze IB uzrokuje znatnu promjenu izlazne struje, tj. struje kolektora IC, što znači da je tranzistorom moguće postići pojačanje struje. Proučite primjer 2.2. na strani 22.

Omjer struje ulaza i izlaza uz stalan napon UCE naziva se faktor istosmjernog strujnog pojačanja β. Omjer promjene struje kolektora ∆IC i promjene struje baze ∆IB koja je uzrokovala promjenu struje kolektora naziva se faktorom izmjeničnog strujnoga pojačanja: hfe = ∆IC / ∆IB

izlazna karakteristika tranzistora Izlazna karakteristika pokazuje ovisnost kolektorske struje IC o naponu između kolektora i emitera UCE i o struji baze IB. Povećanjem napona UCE preko određene vrijednosti uzrokuje nagli porast struje kolektora koja prekomjerno grije tranzistor pa dolazi do proboja u unutarnjoj strukturi tranzistora, što može dovesti do njegova uništenja. Proučite primjer 2.3. na strani 23.

Promjena temperature utječe i na međusobnu ovisnost napona UBE i struje IB gdje se povećanjem temperature smanjuje napon.

Od vanjskih faktora najveći utjecaj na karakteristične veličine tranzistora ima promjena temperature. Zbog povećanja temperature, povećava se struja ICBO i faktor strujnog pojačanja β. Zato dolazi do promjena izlaznih karakteristika.

Protjecanjem kolektorske struje dolazi do zagrijavanja tranzistora Protjecanjem kolektorske struje dolazi do zagrijavanja tranzistora. Pri tome se razvija snaga (disipacija snage, utrošak snage, engl. power disipation) jednaka je umnošku struje Ic i napona UCE. Za svaki tranzistor bi trebalo biti zadano polje izlazne karakteristike područja unutar kojega je dozvoljeno da se nalazi radna točka tranzistora. To znači da moramo ograničiti struju, napon i snagu. Pc = UIZ IIZ

Naponska ograničenja su povezana s dozvoljenim vrijednostima napona spojeva kod kojih dolazi do proboja. Maksimalna dozvoljena toplina rada tranzistora izravno utiče na tzv. ograničenja snage, a maksimalna dozvoljena snaga utiče i na ograničenje struje. Postoje još i frekvencijska ograničenja, ali ona su vezana uz dinamička svojstva tranzistora.

Dinamička svojstva tranzistora

hfe = Δ I C Δ I B /UCE = konst. Dinamički ulazni otpor možemo računati i poznavanjem istosmjerne struje baze u statičkoj radnoj točki, prema izrazu: rbe = UT / IB Kako je tranzistor aktivna komponenta koja u dinamičkim uvjetima pojačava ulazni signal, računa se dinamički faktor strujnog pojačanja. Za spoj zajedničkog emitera označava se sa hfe i računa se prema izrazu: hfe = Δ I C Δ I B /UCE = konst. Dinamički faktor strujnog pojačanja u SZE približno je jednak istosmjernom faktoru strujnog pojačanja: hfe = β

gm = Δ I C Δ U BE /UCE = konst. Osim dinamičkog faktora strujnog pojačanja, pojačanje bipolarnog tranzistora često se izražava dinamičkim parametrom koji se naziva strmina gm. Strmina se računa prema izrazu: gm = Δ I C Δ U BE /UCE = konst. Uz poznavanje statičke struje kolektora, strmina u radnoj točki može se izračunati prema izrazu: gm = hfe / rbe = IC / UT

Najvažnije značajke tranzistora koje je potrebno poznavati pri njihovoj uporabi jesu: Oblik i dimenzije kućišta Raspored priključaka Faktor strujnog pojačanja hFE Frekvencijsko područje rada Najveće dopuštene vrijednosti struje Najveće dopuštene vrijednosti napona Utrošak snage Radne temperature

Pojačala s bipolarnim tranzistorom ELEKTRONIČKI SKLOPOVI

Elektronička pojačala su elektronički sklopovi za pojačavanje elektroničkog signala (struja, napon, snaga). Pojačanje (gain) A je općenito odnos izlazne vrijednosti prema odgovarajućoj ulaznoj vrijednosti. Faktori strujnog (AI) i naponskog (AV) pojačanja ne ovise o otporu trošila i frekvenciji signala, a da bi signal bio pojačan moraju biti veći od 1. Ulazni otpor u idealno strujno pojačalo je Rul = 0, a izlazni Riz beskonačan, dok je kod idealnoga naponskog pojačala Rul beskonačan, a Riz = 0.

Za ispravan rad pojačala potrebno je provesti statičku i dinamičku analizu: Statička analiza je analiziranje rada pojačala samo za istosmjerne napone i struje. Određuju se istosmjerni uvjeti: statička radna točka i statički radni pravac. Proučite primjer 2.4. na strani 27. Kod dinamičke analize promatra se odziv na izmjenični ulazni signal. Računa se dinamički ulazni i izlazni otpor ili impedancija, strujno i naponsko pojačanje, pojačanje snage, utjecaj otpora trošila na rad pojačala, frekvencijska karakteristika i fazni odnosi ulaznog i izlaznog signala.

Pojačalo s jednim tranzistorom djeluje u osnovi kao pretpojačalo i može se izvesti kao pojačalo u spoju zajedničke baze, kolektora ili emitera Pojačalo u spoju zajedničke baze ima: izrazito mali ulazni otpor (u pravilu manji od 10 Ω) te velik izlazni otpor, strujno pojačanje nešto manje od 1 (tipično 0,99-0,995), veliko naponsko pojačanje za mali izmjenični signal, koje ostaje konstantno i na visokim frekvencijama tako da se visokofrekventna pojačala rade u pravilu u spoju zajedničke baze.

Pojačalo u spoju zajedničkog kolektora ima: izrazito velik ulazni otpor (tipično 100 kΩ i više) te izrazito mali izlazni otpor (u pravilu manji od 10 Ω), veliko strujno pojačanje jednako faktoru strujnog pojačanja za mali signal hfe, naponsko pojačanje nešto manje od 1 (tipično 0,99-0,999)

Pojačalo u spoju zajedničkog emitera je na izvjestan način kompromis između pojačala u spoju zajedničke baze i zajedničkog kolektora te se zbog svojih svojstava koristi vrlo često u niskofrekventnim ulaznim stupnjevima pretpojačala i pojačala snage. Za pojačalo u spoju zajedničkog emitera vrijedi da ono ima: prihvatljivu veličinu ulaznog otpora (red veličine 1 kΩ) i izlaznog otpora, veliko strujno i zadovoljavajuće naponsko pojačanje za mali signal unutar frekvencijskog područja karakterističnog za spektar frekvencija tonskog signala.

STABILIZACIJA RADNE TOČKE: Ako dođe do nepoželjne promjene napona UBE, to će uzrokovati smanjenje struja IB i IC tj. promjenu položaja radne točke. Zbog toga će se smanjiti i struja emitera IE. Struja emitera stvara na otporniku RE pad napona koji se također smanjuje. To smanjenje pada napona na otporu RE znači malo povećanje napona UBE, a time i struje IB. Dakle, djelovanje otpornika RE prigušuje nepoželjne promjene, odnosno održava stabilnu radnu točku.

STABILIZACIJA RADNE TOČKE: Otpornik RE će na isti način djelovati na promjene izmjeničnog izvora. On će prigušiti promjene ulaznog napona i struje što se manifestira kao slabljenje pojačanja. Da se to izbjegne, spaja se paralelno otporniku kondenzator dovoljno velikoga kapaciteta CE. Kondenzator za izmjenični signal čini kratki spoj, a kod istosmjernog signala prazni hod,. Na takav način nema slabljenja pojačanja. Proučite primjer 2.5. na strani 28.

AMPLITUDNO-FREKVENCIJSKA KARAKTERISTIKA POJAČALA Amplitudno frekvencijska karakteristika prikazuje ovisnost pojačanja pojačala o frekvenciji signala. Najčešće se iskazuje u decibelima (dB). Raspon frekvencije najčešće se prikazuje logaritamski u rasponu oktavama ili dekadama. Raspon oktava znači da je svaka slijedeća frekvencija dvostruko veća, dok kod dekada je deset puta veća. Karakteristične točke karakteristike su donja (fd) i gornja (fg) granična frekvencija koje se dobivaju kada dođe do slabljenja pojačanja za 3 dB.

AMPLITUDNO-FREKVENCIJSKA KARAKTERISTIKA POJAČALA Do slabljenja na niskim frekvencijama dolazi zbog kondenzatora u sklopu pojačala. To su vezni kondenzatori Cv i kondenzator CE. Oni stvaraju znatni otpor na niskim frekvencijama i slabe pojačanje (kapacitivni otpor raste s padom frekvencije). Proučite primjer 2.7. na strani 32.

AMPLITUDNO-FREKVENCIJSKA KARAKTERISTIKA POJAČALA Na visokim frekvencijama dolazi do izražaja parazitne kapacitivnosti tranzistora. To su kapacitivnosti između elektroda bipolarnog tranzistora. Njihov otpor je na visokim frekvencijama mali pa se zato smanjuje pojačanje.

Tranzistorska sklopka s bipolarnim tranzistorom ELEKTRONIČKI SKLOPOVI

U impulsnim i digitalnim sklopovima tranzistor se koristi kao sklopka U impulsnim i digitalnim sklopovima tranzistor se koristi kao sklopka. Tranzistorska sklopka također se koristi za kontrolu uređaja velikih snaga kao što su motori, zavojnica i td. Da bi tranzistor radio kao sklopka on se mora prebacivat iz područja zapiranja (nevođenja) u područje zasićenja (vođenja) i obrnuto. To se ostvaruje strujnim impulsima, gdje potrošnja energije u ulaznom dijelu sklopa mora biti što manja radi manjeg opterećenja izvora. Zbog toga se najčešće primjenjuje spoj zajedničkog emitera zbog vrlo male ulazne struje baze spram izlazne struje kolektora.

Tranzistorska sklopka u stanju zapiranja Tranzistor je u stanju zapiranja kad su emiterski i kolektorski PN spoj zaporno polarizirani, tj. UBE ≤ 0 i UCB < 0, IB = 0 i IC = 0. Za silicijske tranzistore ulazni napon može biti i mali pozitivni napon ali manji od napona praga. Kako ne teče struja na kolektoru, nema pada napona na otporniku Rc, pa je izlazni napon jednak naponu izvora napajanja Ucc.

Tranzistorska sklopka u stanju zasićenja Tranzistor je u stanju zapiranja kad su emiterski i kolektorski PN spoj propusno polarizirani, tj. UBE > 0 i UCB < 0, IB ≠ 0 i IC ≠ 0. Ulazni napon mora biti dovoljno velik (veći od napona praga), da bi tranzistor bio u zasićenju. Izlazni napon odgovara malom naponu između kolektora i emitera UCE.

Za silicijeve tranzistore napon UCE (UCEzas) mora biti manji od 0 Za silicijeve tranzistore napon UCE (UCEzas) mora biti manji od 0.3 V, a puno manji od istosmjernog napona napajanja Ucc. U stanju zasićenja struja baze IB (IBzas) mora biti veća ili jednaka struji kolektora IC (ICzas) podijeljenoj s faktorom istosmjernog strujnog pojačanja, što predstavlja UVJET ZASIĆENJA prema izrazu: IBzas ≥ ICzas / β

DOMAĆA ZADAĆA Kotur; Paunović, Analogni elektronički sklopovi, udžbenik za 3. razred elektrotehničkih škola Strana 46 / PITANJA I ZADATCI ZA PONAVLJANJE I PROVJERU ZNANJA: 1 - 10