21

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 (Bipolar Junction Transistors - BJT) και τα transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field Effect Transistors - FET). Ο κάθε τύπος έχει τα δικά του πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα. Τα BJT είναι τα πιο συχνά χρησιµοποιούµενα στα αναλογικά κυκλώµατα ενώ τα FET στα ψηφιακά. Ένας σχετικά νέος τύπος transistor που συνδυάζει πολλά από τα πλεονεκτήµατα των δύο προηγουµένων είναι τα Διπολικά transistor Μονωµένης Θύρας (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT).

Αυτοί οι τύποι θα εξετασθούν παρακάτω µε έµφαση στίς εφαρµογές τους.

2.1 Διπολικά Transistors (Bipolar Junction Transistors - BJT)

Τα BJT 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 (Base - B) ενώ τα ακραία ονοµάζονται εκποµπός (Emitter - E) και συλλέκτης (Collector - C). 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 (BCE) 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.

22

n p nEI

BI

CIE

B

C

p n pEI

BI

CIE

B

C

(α) (β)

Σχ. 2-2 Οι δύο τύποι transistor : (α) npn και (β) pnp (τα τόξα δείχνουν ροές ρεύµατος)

E

B

C

C

B

E

(α) (β)

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.

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:

iV0V

(α) κοινού εκποµπού

0V

iV

(β) κοινού συλλέκτη

0ViV

(γ) κοινής βάσης

Σχ. 2-4 : Τυπικές µορφές διατάξεων BJT

Η Σύνδεση κοινού εκποµπού (common emitter - CE)

Για να προχωρήσουµε στην ανάλυση της λειτουργίας του BJT 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 (EB) και ταυτόχρονα ανάστροφη πόλωση της ένωσης συλλέκτη - βάσης (CB) ενώ το σήµα

23

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

EI προέρχεται από τον συλλέκτη (ρεύµα CI ) ενώ το µικρότερο (~ 1 %) προέρχεται από

τον συλλέκτη (ρεύµα BI ).

p

n

BI

CI

E

B

C

n

EI

BBVCCVBR

CR

BV

EV

CVBI

CI

EI

(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

B E BE

C CC C C

CE C E

V V VV V I RV V V

= +

= −

= −

(2.2)

BB BEB

B

CC CEC

C

V VIR

V VIR

−=

−=

(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 CEV , αυτή η εξάρτηση είναι αµελητέα (φαινόµενο Early). Λόγω της ορθής πόλωσης της ένωσης BE 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 0.7BEV V< όπου

0BI ≈ λέγεται περιοχή αποκοπής.

24

BI

BEV

BEie

B

dVhdI

=

0.7V

{αποκοπή

CI

BI

C B FEI I hβ =@

Cfe

B

dIhdI

@

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 CEV (οι καµπύλες µεταβάλλονται παραµετρικά καθώς το CEV αλλάζει) όπου το κέρδος ρεύµατος είναι

βdc ! Ic IB = hFE ≅ 20…200 (2.4)

και λαµβάνεται ως προσεγγιστικά σταθερό για ένα σηµαντικό τµήµα του εύρους µεταβολής του ρεύµατος βάσης BI αν και προφανώς δεν είναι (δηλαδή , µεταβάλλεται ελαφρά) γιατί

FE feh h≠ . Η σχέση µεταξύ ρευµάτων συλλέκτη και εκποµπού είναι

(2.1,2.4)0.95 0.99 1

1dc

dc FB c Edc

h I I βα

β= = = ≅ <

+K (2.5)

Προφανώς, τα είναι ενδεικτικά των δυνατοτήτων ενίσχυσης του transistor.

Η σχέση µεταξύ ρεύµατος συλλέκτη CI και CEV δίδεται από µία οικογένεια καµπυλών µε

παράµετρο το ρεύµα βάσης BI (σχ. 2-7). Η περιοχή για 0BI = 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 BI , 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 BJT 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.

25

CI

CEV0BI =

const.BI =

BI+

ΠεριοχήΚόρου

ΠεριοχήΚατάρρευσης

Ενεργός Περιοχή

Περιοχή αποκοπής

Σχ. 2-7: Καµπύλες CI - CEV µε παράµετρο το ρεύµα βάσης BI .

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

C dc BI Iβ= ⋅ (2.6)

Αυτά εκφράζονται και µε τις αντίστοιχες απλοποιηµένες καµπύλες του σχήµατος 2-8.

+

-

BEV ΙδανικήΔίοδος

CEV

+

-

BEV

BI CI

CEV

dc BIβ ⋅

(α)

(β) (γ)

Σχ. 2-8 : Α' προσέγγιση transistor (α) ισοδύναµο κύκλωµα (β) καµπύλη ρεύµατος βάσης – τάσης BEV (γ) καµπύλες ρεύµατος συλλέκτη – τάσης CEV

26

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

( )const =0.7 για πυριτιοBEV V= (2.7)

και το ρεύµα συλλέκτη δίδεται από την σχέση (2.6). Αυτά εκφράζονται και µε τις αντίστοιχες απλοποιηµένες καµπύλες του σχήµατος 2-9.

+

-

BEV ΔίοδοςΠηγή

CEV

+

-

BEV

BI CI

CEV

dc BIβ ⋅

0.7V

(α)

(β) (γ)

Σχ. 2-9 : Β' προσέγγιση transistor (α) ισοδύναµο κύκλωµα (β) καµπύλη ρεύµατος βάσης – τάσης BEV (γ) καµπύλες ρεύµατος συλλέκτη – τάσης CEV

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

emitBr και κατά συνέπεια η τάση BEV δεν είναι σταθερή

( )=0.7 για πυριτιοemitBE b E B bV V I r V V= + ⋅ (2.8)

Η δίοδος που παριστά την ένωση pn βάσης-συλλέκτη έχει µία αντίσταση σώµατος collBr που

επηρεάζει µόνο την περιοχή κόρου και όχι την ενεργό περιοχή, δηλαδή για κάποιο ρεύµα βάσης BI , επειδή ο κόρος ισχύει όσο

satC dc BI Iβ< ⋅ , τότε στην περιοχή του κόρου ισχύει

sat sat collCE C BV I r= ⋅ (2.9)

Αυτά εκφράζονται και µε τις αντίστοιχες απλοποιηµένες καµπύλες του σχ. 2-10.

27

+

-

BEV Δίοδος Πηγή µεεσωτερική αντίσταση

CEV

+

-

BEV

BI CI

CEV

dc BIβ ⋅

0.7V

collBr

(α)

(β) (γ)

Σχ. 2-10 : Γ' προσέγγιση transistor (α) ισοδύναµο κύκλωµα (β) καµπύλη ρεύµατος βάσης –

τάσης BEV (γ) καµπύλες ρεύµατος συλλέκτη – τάσης CEV

Χαρακτηριστικά Transistor: Ορισµένα από τα πιο σηµαντικά στοιχεία που δίδονται από τον κατασκευαστή είναι οι ανάστροφες τάσεις κατάρρευσης (

maxCBV : συλλέκτη – βάσης,

max0CEV : συλλέκτη – εκποµπού µε ανοικτή βάση και maxEBV : εκποµπού – βάσης), το µέγιστο

DC ρεύµα συλλέκτη (maxCI ) και η µέγιστη ισχύς της διάταξης ( )D CE CP V I= ⋅ , που µπορεί να

δίδεται για διάφορες θερµοκρασίες περιβάλλοντος.

Πρέπει να τονισθεί ότι το κέρδος ρεύµατος dc FEhβ = εξαρτάται τόσο από το ρεύµα 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.

CI [mA]

minFEh maxFEh

maxCBV = 60 V 0.1 40 --

max0CEV = 40V 1 70 --

maxEBV = 6 V 10 100 300

maxCI = 200 mA 50 60 --

maxDP = 250 mW (25o C) 100 30 --

Σχ. 2-11 : Στοιχεία κατασκευαστή για το transistor 2Ν3904

28

Σηµείο Λειτουργίας Transistor: Το σηµείο λειτουργίας Q ορίζεται από το ζεύγος

( ),C CEI 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:

15 , 500 , 3 , 15BB B C CCV V R k R k V V= = Ω = Ω = .

Λογιστικός τρόπος : Θα θεωρήσουµε µόνο τις προσεγγίσεις α' και β'

(1) α' προσέγγιση : Επειδή το transistor θεωρείται ιδανικό, 0BEV ≈ , οπότε

30BBB

B

VI AR

µ= =

και αν για το δεδοµένο transistor επιλέξουµε από τα στοιχεία κατασκευαστή 100dcβ = , τότε από την 2.6,

100 30 3C dc BI I mAβ µ= ⋅ = ⋅ Α =

οπότε από την δεύτερη των εξ. 2.3

15 3 3 6CE CC C CV V I R V mA k V= − ⋅ = − ⋅ Ω =

(2) β' προσέγγιση : Λόγω µοντέλου β΄ προσέγγισης, 0.7BEV V= , οπότε

28.6BB BEB

B

V VI AR

µ−

= =

και επειδή, όπως προηγουµένως, για το δεδοµένο transistor ισχύει 100dcβ = , τότε από την 2.6,

100 28.6 2.86C dc BI I mAβ µ= ⋅ = ⋅ Α =

οπότε από την δεύτερη των εξ. 2.3

15 2.86 3 6.42CE CC C CV V I R V mA k V= − ⋅ = − ⋅ Ω =

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 transistor, από τον κατασκευαστή. Επί της χαρακτηριστικής ( ),B BEI V του σχ. 2-6, χαράσσουµε την γραµµή φορτίου, το ευθύγραµµο τµήµα δηλαδή που εκφράζει την σχέση ( ),B BEI V όπως εκφράζεται από την πρώτη των εξ. 2.3,

15500

BB BE BEB

B

V V V VIR k− −

= =Ω

29

BI

BEV0.7V

BB

B

VR

BBV

BI *

και από την τοµή, όπως προκύπτει στο ανωτέρω σχήµα, ευρίσκεται η τιµή του BI∗ που

διαρρέει την είσοδο του ανωτέρω κυκλώµατος. Παρατηρούµε ότι το BI 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 ( ),C CEI V όπως εκφράζεται από την δεύτερη των εξ. 2.3,

153

CC CE CEC

C

V V V VIR k− −

= =Ω

CI

CEV0BI =

BI = BI

ΠεριοχήΚόρου Περιοχή

ΚατάρρευσηςΕνεργός Περιοχή

*Q

CC

C

VR

CCV

Από την τοµή αυτής της γραµµής φορτίου µε την καµπύλη που αντιστοιχεί στο ρεύµα BI που έχει ήδη ευρεθεί, προκύπτει το σηµείο λειτουργίας.

30

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 dc FEhβ = επειδή αφ' ενός µε εξαρτάται 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 DC 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).

B

C

E

CCV

1R

2R

CR

ER

EI

CI

BII

Σχ. 2-12 Συνδεσµολογία διαιρέτη τάσης

Θα δούµε την ουσιαστική επίδραση του διαιρέτη µέσω ενός παραδείγµατος για 10CCV V= + , 1 10R k= Ω, 2 2.2R k= Ω , 3.6CR k= Ω , 1ER k= Ω και [ ]36,300dcβ ∈ .

Υπόθεση 1: Θεωρούµε ότι το ρεύµα της βάσης είναι αµελητέο µπροστά στο ρεύµα που διαρρέει τον διαιρέτη BI I<< .

Με βάση την παραπάνω υπόθεση εφαρµόζουµε την εξίσωση διαιρέτη τάσης και έχουµε

2

1 2

1.8B CCRV V V

R R= ⋅ =

+ (2.10)

Υπόθεση 2: Θεωρούµε ότι το transistorευρίσκεται σε κανονική λειτουργία (δηλ. εκτός περιοχής ανακοπής).

Με βάση αυτή την υπόθεση 0.7 VBEV ≅ οπότε

1.8 0.7 1.1E B BEV V V V V V= − = − = (2.11)

και το ρεύµα εκποµπού ευρίσκεται προφανώς χωρίς την χρήση του dc FEhβ =

1.1 1.11

EE

E

V VI mAR k

= = =Ω

(2.12)

Από την (2.5) γίνεται φανερό ότι C EI I≈ και κατά συνέπεια

10 1.1 3.6 6.04C CC C C CC E CV V I R V I R V mA k V= − ⋅ ≈ − ⋅ = − ⋅ Ω = (2.13)

31

6.04 1.1 4.94CE C EV V V V V V= − = − = (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 transistor έχουµε [ ]36,300dcβ ∈ . Οπότε

min min

1.1 30.536

C EB

dc dc

I I mAI µβ β

< ≈ = = Α (2.15)

Το ρεύµα δια του διαιρέτη είναι

1 2

10 0.8210 2.2

CCV VI mAR R k k

≈ = =+ Ω+ Ω

(2.16)

Προφανώς1 0.05BI I< ⋅ .

Έλεγχος Υπόθεσης 2: Αν το transistor ευρίσκεται στην περιοχή αποκοπής, τότε 0BI ≈ και επειδή η βάση είναι ορθά πολωµένη

0 0.7BEV V< < . (2.17)

Προφανώς ισχύει η (2.10) και ( )2.17

0.7 1.1 1.8E B BE B E B EV V V V V V V V V= − ⇒ − < < ⇒ < < (2.18)

Προφανώς όταν το transistor ευρίσκεται στην περιοχή αποκοπής, από το σχήµα 2-7, 0cI ≈ ,

πράγµα που θα σήµαινε ότι 0E C BI I I= + ≈ και κατά συνέπεια

0E E EV I R= ⋅ ≈

που αντίκειται στην (2.18), και κατά συνέπεια το transistor δεν ευρίσκεται στην αποκοπή.

2.1.3 Το BJT 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

out out outi p p

in in in

I V PA A A A AI V Pυ υ= = = = (2.19)

Ένας ενισχυτής AC χρησιµοποιείται για να αυξήσει το σήµα ασθενών AC σηµάτων (σχ. 2-13).

1 Αυτή λαµβάνεται γενικά ως µια καλή πιστοποίηση της απαίτησης BI I<< .

32

B

C

E

CCV

1R

2R

CR

ER

GRLR

GC

LC

ECgυ

υl

Σχ. 2-13 : Ενισχυτής µίας βαθµίδας σε διάταξη κοινού εκποµπού

Τροφοδοτείται µε υπέρθεση DC τάσης ( )CCV που χρησιµοποιείται για κατάλληλη πόλωση

(καθορισµό του σηµείου λειτουργίας Q ) και ενός µικρού AC σήµατος ( )gυ και παρέχει

στην έξοδο ένα AC σήµα εξόδου ( )υl που είναι ενισχυµένη µορφή του αντίστοιχου AC

σήµατος εισόδου. Οι ,G LR R είναι οι αντιστάσεις της γεννήτριας σήµατος και του φορτίου εξόδου, αντίστοιχα.

Το AC σήµα εισόδου εφαρµόζεται µέσω του πυκνωτή GC για να αποκόψει την δίοδο του DC

σήµατος που χρησιµοποιείται για την πόλωση του transistor, έτσι ώστε η GR να µην επιδράσει στο ρεύµα πρόσω πόλωσης. Όµως επιτρέπει την διέλευση του AC σήµατος δια µέσου του. Για τους ίδιους λόγους, το ΑC σήµα εξόδου οδηγείται µέσω του πυκνωτή LC στο φορτίο εξόδου LR . Οι πυκνωτές GC και LC λέγονται πυκνωτές σύζευξης. Αντίθετα, ο

πυκνωτής παράκαµψης EC χρησιµοποιείται για την γείωση του AC τµήµατος του σήµατος εκποµπού, ενώ δεν επιτρέπει την διέλευση του DC τµήµατος.

Το AC σήµα περνάει στην βάση δηµιουργώντας AC ρεύµα βάσης που ενισχύεται µέσω του κέρδους ρεύµατος δηµιουργώντας ένας µεγάλο AC ρεύµα συλλέκτη που ρέοντας µέσω της αντίστασης συλλέκτη δηµιουργεί µεγάλη AC τάση συλλέκτη. Προφανώς το προς ενίσχυση AC 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 0Q όταν δεν εφαρµόζεται

σήµα εισόδου ( )0gυ = 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 0Q και η µικρή "ταλάντωση" γύρω από αυτό µας δίνει την δυνατότητα της ανάλυσης χρησιµοποιώντας, βάσει της αρχής της υπέρθεσης, τρία βήµατα: ανάλυση DC (οι AC πηγές είναι µηδενικές και οι πυκνωτές "ανοικτοκυκλωµένοι"), ανάλυση AC (οι DC 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 10CCV V= + ,

1 10R k= Ω, 2 2.2R k= Ω , 3.6CR k= Ω , 1ER k= Ω , 600GR = Ω , 10LR k= Ω,

1g mVυ = (εύρος κύµατος) και [ ]36,300dcβ ∈ . Είναι προφανές ότι οι ,G LR R δίδονται από

33

την εφαρµογή, ενώ οι 1 2, , ,C ER R R R υπολογίζονται για την κατάλληλη τοποθέτηση του 0Q .

Η ανάλυση θα δείξει ποίες συνθήκες πρέπει να ικανοποιούν οι , ,G L EC C C .

(i) ανάλυση DC: Προφανώς ισχύει 0GV = και οι πυκνωτές είναι ανοικτοκυκλωµένοι γιατί ουσιαστικά δεν άγουν DC 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 1.8 , 1.1 , 1.1 , 6.04 , 4.94B E E C CEV V V V I mA V V V V= = = = = .

(ii) ανάλυση AC: Προφανώς ισχύει 0CCV = και οι πυκνωτές είναι βραχυκυκλωµένοι γιατί ουσιαστικά άγουν "ελεύθερα" (µε πολύ µικρή αντίδραση) το ΑC 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 erʹ′ είναι η AC αντίσταση εκποµπού για την οποία ισχύει2

25ie BEe

fe E E

h dV mVrh dI I

Δ

ʹ′= = ≈ (2.20)

και β είναι το "AC κέρδος ρεύµατος" που ορίσθηκε στο σχ. 2-6-β, ως

Cfe

B

dIhdI

β = = (2.21)

και για το οποίο προφανώς fe dc FEh hβ β= ≠ = . Οι υβριδικές παράµετροι, ,ie feh h

ευρίσκονται στα φυλλάδια κατασκευαστών, όπως άλλωστε και η FEh . Αν bυ είναι η (προφανώς µικρή) AC τάση της βάσης, ισχύει

b e ei rυ ʹ′= ⋅ (2.22)

όπου ei είναι το AC ρεύµα εκποµπού.

B

C

E

1R 2R

CR

ER

EI

BIGR LRB

C

E

1 2R R

C LR RGR

gυgυ

Σχ. 2-14: (α) Πρώτη φάση απλοποίησης κατά την AC ανάλυση (β) Δεύτερη φάση απλοποίησης κατά την AC ανάλυση3

2 Από την σχέση 1.1, και δεδοµένου ότι S EI I<< , για την δίοδο εκποµπού ισχύει

( ) 251BE TV V BEE S

E E

dV mVI I e dI I= ⋅ − ⇒ ≈

3 Το σύµβολο δείχνει το αποτέλεσµα σύνδεσης σε παραλληλία.

34

1 2R R C LR R

GR

erʹ′

c bi iβ= ⋅

ei C LR R

c bi iβ= ⋅bυbi

erβ ʹ′⋅ bi

bυ

1 2R R

GRgi

binz

inz

gυ gυ

Σχ. 2-15: Ισοδύναµα AC 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

( )2.22b b e cin e e e ie

b b b

i iz r r r hi i iυ

βΔ

ʹ′ ʹ′ ʹ′= = ⋅ ≈ ⋅ ≈ ⋅ = (2.23)

δεδοµένου ότι e ci i≈ και fe C B c bh dI dI i iβ = = ≈ , και την εµπέδηση εισόδου του ενισχυτή

1 2 1 2b

in in iez R R z R R h= = (2.24)

οπότε διαδοχικά παίρνουµε

gg

G in

iR zυ

=+

(2.25)

inb g in g

G in

zi zR z

υ υ= ⋅ = ⋅+

(2.26)

( )2.23b

b bin

izυ

= (2.27)

c bi iβ= ⋅ (2.28)

( )c c C Li R Rυ = ⋅ (2.29)

Μέσω της (2.19) µπορούµε να βρούµε τον συντελεστή ενίσχυσης τάσης, δεδοµένου ότι

( ) ( )C Lout c C L

ein e e

R Ri R RA

ri rυ

υ

υ

⎫= − ⋅ ⎪⇒ = −⎬ ʹ′ʹ′= ⋅ ⎪⎭

(2.30)

ενώ για τον συντελεστή ενίσχυσης ρεύµατος προφανώς ισχύει ci

b

iAi

β= = . Προφανώς η

εµπέδηση εξόδου δίνεται προσεγγιστικά από την: zout ≅ RC .

(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 - CB): Στο σχ. 2-16 φαίνεται η συνδεσµολογία CB. Το ρεύµα IE είναι το ρεύµα εισόδου ενώ το IC είναι το ρεύµα εξόδου. Προφανώς IC < IE και

35

εποµένως α dc <1 . Στο σχ. 2-17 µπορούµε να παρατηρήσουµε τις χαρακτηριστικές εκποµπού και συλλέκτη του transistor.

Το transistor σε διάταξη CB µπορεί να αποδώσει κέρδος τάσης. Αυτό είναι δυνατό γιατί, όπως γίνεται κατανοητό από τα παραπάνω σχήµατα, για τις αντιστάσεις εισόδου re και εξόδου RC ισχύει

re =Δ ∂ VBE∂ IE

<< RC =Δ ∂ VCB∂ IC

(2.31)

και IC ≈ IE οπότε έχουµε κατά πολύ µεγαλύτερες τάση & ισχύ εξόδου απ’ ότι εισόδου.

Vin

VEE VCC

IE ICRL

Vin

t

VCB

t

Σχ. 2-16 Συνδεσµολογία CB

IE

VBE

|VCB|>1 V

VCB=0

IC

VCB

IE=0

IE +

Σχ. 2-17 Χαρακτηριστικές Εκποµπού και Συλλέκτου γιά Transistor CB

(β) κοινού εκποµπού (common emitter - CE): Αναλύθηκε εκτενώς στα προηγούµενα επειδή είναι ο πιο συχνά χρησιµοποιούµενος τύπος σε BJT 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.

36

VinVBB VCC

IB

IC

IE

RL

Vin

t

VCE

t

Σχ. 2-18 Διάταξη Κοινού Εκποµπού

IB

VBE

|VCE|>1 V

IC

VCE

IB=0

IB +

Σχ. 2-19 Χαρακτηριστικές Βάσης και Συλλέκτη γιά transistor CE

(γ) κοινού συλλέκτη (common collector - CC): Μία χαρακτηριστική διάταξη CC φαίνεται στο σχ. 2-20. Oνοµάζεται και ακολουθητής εκποµπού (emitter follower) επειδή ο εκποµπός ακολουθεί την βάση.

VinVCC

IBIE

IC

RL

Σχ. 2-20 Κύκλωµα ενισχυτή CC

37

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).

n

Τα χαρακτηριστικά αυτών των ενισχυτών µπορούν να πινακοποιηθούν ως εξής:

Τύπος Ενισχυτή

Χαρακτηριστικό CE CC CB

Aυ Μεγάλο Μικρό ≈ 1 Μεγάλο

iA Μεγάλο Μεγάλο Μικρό ≈ 1

pA Πολύ Μεγάλο = Aυ iA Μεγάλο ≈ iA Μεγάλο ≈ Aυ

inZ Μικρό Μεγάλο Πολύ Μικρό

outZ Μεγάλο Πολύ Μικρό Μεγάλο

Τέλος, πρέπει να λεχθεί ότι είναι δυνατόν να επιτευχθούν συνδυασµένα ποιοτικά χαρακτηριστικά µε την εν σειρά τοποθέτηση ενισχυτών

Aυi

, i = 1,2,! . Σε αυτή την

περίπτωση η συνολική ενίσχυση είναι Aυ = Aυ1

⋅ Aυ2⋅!

2.1.4 Το BJT Ως Διακόπτης

Όταν το transistor χρησιµοποιείται σαν διακόπτης ευρίσκεται είτε στην κατάσταση αποκοπής είτε σε αυτή του κορεσµού. Αυτή η αρχή χρησιµοποιείται στους µεταλλάκτες DC σε AC, 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 IB όπως φαίνεται στο σχ. 2-21.

Σχ. 2-21 Transistor ως διακόπτης σε (a) αποκοπή, και (b) κορεσµό

38

Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός τότε IB = 0 και VCE ≅VCC . Όταν είναι κλειστός τότε, όπως

εδείχθη στην παράγραφο 2.1.2, για το µέγιστο ρεύµα συλλέκτη ισχύει IC = VCCRL

.

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 CC ενισχυτικών βαθµίδων, δηλαδή

Ai = Ai1 ⋅Ai2 = β1 +1( ) β2 +1( ) (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.

R1

R2 RE

Vin

Vout

VCC

Vin

t

Vout

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 DC. Η µεταβλητή αντίσταση R1 ελέγχει την µικρή τιµή του ρεύµατος εισόδου που µετά τα δύο ενισχυτικά στάδια µεγαλώνει και αποδίδεται στον κινητήρα.

39

R1

VCC

ΚινητήραςDC

Σχ. 2-23

Ο µεταλλάκτης (inverter) µετατρέπει DC ισχύ σε AC ισχύ. Δηλαδή είναι το αντίστροφο του ανορθωτή. Το σχ. 2-24 δείχνει έναν µεταλλάκτη τροφοδοτούµενο από µία πηγή 12-14 V (DC) που αποδίδει 120 V, 60 Hz (AC). 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.

24V 2A

C1=3 µF C2=0.25 µF

12-14 V

R2=100 Ω R3=R4=15 Ω

R3 R4

R1=100 ΩUTC FT-10

L1=10 µΗOutlet

120 V AC60 Hz

2N3614

2N3616

Σχ. 2-24 Μεταλλάκτης 60Ηz

Ο µετατροπέας (converter) είναι µία συσκευή που µετατρέπει ένα επίπεδο τάσης DC σε άλλο. Δηλαδή είναι σαν ένας “µετασχηµατιστής - DC”. 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 AC, DC ψαλιδιστές (choppers) κλπ. Πλέον δεν κατασκευάζονται τόσο από transistors όσο από thyristors (ειδικές ηµιαγωγές συσκευές που µπορούν να χειρίζονται µεγάλες ποσότητες ρεύµατος).

40

R1RLΤάση Εισόδου

(DC) µεδιαταραχές

R1R2

R3 R4

C1 C2

VCC

Vout

Μηχανική Σύζευξη

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.

RΒ

RS

ΠεριέληξηΚινητήρα

Vin

+VCC

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 Q1,Q2( ) και έναν διακόπτη Q3( )για την ενεργοποίηση ενός συναγερµού όταν το υγρό φτάσει σε κάποιο επίπεδο οπότε “άγεται” ικανοποιητικό ρεύµα στα ηλεκτρόδια. Τα

41

Q1,Q2( ) είναι transistor χαµηλής στάθµης - υψηλού κέρδους ενώ το Q3( ) είναι υψηλού ρεύµατος.

Relay

R1

Q1

Q2

Q3

Vout

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 Q1( ) τόσο χαµηλό που, παρόλη την

ενίσχυση στον Darlington, δεν µπορεί να µεταβάλει την κατάσταση αποκοπής του Q3( ) .

Εποµένως δεν υπάρχει ρεύµα προς τον συλλέκτη του Q3( ) 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 Q3( ) , θα αποδώσει ισχυρό ρεύµα στο ρελέ το οποίο θα ενεργοποιήσει τον συναγερµό.

Φακός

Σχ. 2-28 Phototransistor: κατασκευή και σύµβολο.

2.1.6 Το Φωτοτρανζίστορ

Είναι ένα διπολικό transistor µε φωτοευαίσθητη ένωση CB 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 BJT µε ορθά πολωµένη την BE. Όταν δεν υπάρχει φως υπάρχει κάποιο µικρό ρεύµα διαρροής που διαρρέει την CE. Οι χαρακτηριστικές φαίνονται στο σχ. 2-29.

42

1

8

5

32

Η [mW/cm2]

2468

IC [nA]

VCE [V]5 10 15 20 25 30 Σχ. 2-29 Χαρακτηριστικές Phototransistor

2.2 Transistors Επιδράσεως Πεδίου (Field Effect Transistors - FET)

Υπενθυµίζουµε ότι το BJT 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 FET 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 BJT.

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 FET, τελικά αποκόπτονται µιάς και η εσωτερική αντίσταση αυξάνει.

Σχ. 2-30 FET και BJT transistors

Οι διαφορές µεταξύ FET και BJT είναι

• Το FET είναι συσκευή στην οποία το ρεύµα εξόδου ελέγχεται µε ένα ηλεκτρικό πεδίο που ουσιαστικά δηµιουργείται από την τάση πόλωσης, ενώ το BJT είναι συσκευή ελεγχόµενη µε ρεύµα. Το BJT διεγείρεται µε αύξηση του ρεύµατος εισόδου ενώ τα περισσότερα FET αποκόπτονται µε αύξηση της τάσης πολώσεως.

• Η αντίσταση εισόδου του FET είναι τεράστια (~ΜΩ) ενώ του BJT σχετικά µικρή. Τα FET, δηλαδή, παρέχουν καλλίτερη αποµόνωση µεταξύ εισόδου και εξόδου, γι’αυτό και τα FET είναι κατάλληλα γιά χρήση σε ενισχυτές.

• Τα FET έχουν µικρότερο εσωτερικό θόρυβο και καλλίτερη συµπεριφορά σε υψηλότερες θερµοκρασίες.

• Τα FET είναι µονοπολικές συσκευές µιάς και το ρεύµα διαρρέει µόνο έναν τύπο ηµιαγωγού υλικού, ενώ τα BJT είναι διπολικές.

• Τα FET έχουν σαν µειονέκτηµα το σχετικά µικρό γινόµενο κέρδος � εύρος ζώνης (Gain � BW) σε σχέση µε τα BJT.

43

Υπάρχουν δύο ειδών FET. Τα Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (Junction Filed Effect Transistors - JFET) και τα Οξειδίου Μετάλλου Ηµιαγωγού (Metal Oxide Semiconductor FET - MOSFET). Θα ασχοληθούµε µόνο µε τα πρώτα.

2.2.1 Transistor Επιδράσεως Πεδίου Ενώσεως (Junction Filed Effect Transistors - JFET)

Ανάλογα µε το ηµιαγωγό υλικό του διαύλου τα JFET µπορεί να είναι τύπου n ή p (σχ. 2-31). Το άλλο υλικό αποτελεί την πύλη.

Drain (Υποδοχή)

Source (Πηγή)

Gate (Πύλη)

Drain (Υποδοχή)

Source (Πηγή)

Gate (Πύλη)

(a) (b)

Σχ. 2-31 Σύµβολα JFET (a) διαύλου-n (b) διαύλου-p

Σχ. 2-32 Κατάλληλα πολωµένα JFET (a) διαύλου-p (b) διαύλου-n

Το σχ. 2-32 δείχνει κατάλληλα πολωµένα n-JFET και p-JFET. 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-JFET (VGS = 0 ). Αρχικά, όσο αυξάνει η τάση αυξάνει και το ρεύµα ID αλλά επειδή αυξάνει και η περιοχή ανάµειξης για µία χαρακτηριστική τιµή VDD =Vp

φτάνει σε ένα επίπεδο κορεσµού ID = IDSS , µέχρι βεβαίως να φτάσει η τάση σε κάποια µέγιστη τιµή VDD =Vbr (σχ. 2-33). Το επίπεδο τµήµα της καµπύλης λέγεται περιοχή φραγής. Εδώ έγκειται και η σηµαντική διαφορά µεταξύ JFET και MOSFET. Τα JFET λειτουργούν πριν την τάση φραγής , ενώ τα MOSFET στην περιοχή φραγής.

44

Σχ. 2-33 JFET πολωµένο µε και η χαρακτηριστική του

Στο σχ. 2-34, βλέπουµε το κύκλωµα ενός n-JFET και τις αντίστοιχες καµπύλες γιά διάφορες τιµές της τάσεως πολώσεως. Το ρεύµα φραγής IDS για VGS ≠ 0 δίδεται σε σχέση µε το IDSS από την σχέση

IDS = IDSS 1−VGSVp

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

2

(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 LED.

Σχ. 2-34 Κύκλωµα n-JFET και χαρακτηριστικές καµπύλες για διάφορες .

45

Σχ. 2-35 Ανιχνευτής στατικού φορτίου µε JFET.

2.3 Διπολικά transistor Μονωµένης Θύρας (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT)

Τα IGBT είναι ένας τύπος υβριδικού transistor (σχ. 2-36) που δανείζεται χαρακτηριστικά τόσο από τα BJT (µικρή τάση µετάβασης στη κατάσταση ΟΝ, δυνατότητα χειρισµού ρεύµατος µεγαλύτερη και από τους Darlington ) όσο και τα MOSFET (πύλη µεγάλης φαινόµενης αντίστασης που απαιτεί µικρό ποσό ενέργειας για µετάβαση στην κατάσταση ΟΝ). Τα IGBT 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 IGBT

Τα IGBT 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 IGBT χρησιµοποιούνται γιατί έχουν χαµηλό χρόνο αλλαγής κατάστασης και δυνατότητα χειρισµού µεγάλου ρεύµατος.

46

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