Analogna elektronika 12

5/13/2018 Analogna elektronika 12 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/analogna-elektronika-12 1/23

10/29/

Predmet: ANALOGNA ELEKTRONIKA

Predmetni nastavnik: Dr Nándor Burány

Asistent: Mr János Minich

3. semestar

Brojèasova: 2+2

POGLAVLJE 1.1.

AKTIVNE KOMPONENTE

• Bez aktivnih komponenti

nema elektronike

(pojaèanje, prekidanje)

• U prvoj polovini XX veka su

radili elektonskim cevima,

kasnije su razvili

poluprovodnièke

komponente.

• Prvo (1946) su razvijene

diskretne komponente,

zatim (1958) integrisana

re šenja.

• Najpoznatije diskretne

poluprovodnièke aktivne

komponente:

diode

bipolarni tranzistori

JFET-ovi

MOSFET-ovi

tiristori

IGBT-i

Optoelektronske

komponente2



10/29/

1.2.1. A DIODE -OSNOVI• Veã kod elektronskih cevi je

postojala dioda - cev sa dveelektrode sa ispravljaèkimsvojstvom.

• Samo se donekle može svrstati uaktivne komponente, po što se nemože koristiti za realizacijupojaèavaèa.

• U ogranièenom smislu pona ša sekao prekidaè: u zavisnosti odsmera spolja dovedenog napona

provodi ili ne provodi struju – nijeupravljiva!

• Karakteristika idealne diode:3

1.2.1.1. DIODE – KONSTRUKCIJA I PRINCIP RADA

• Dvoslojna poluprovodnièka struktura.

• Sve je u jednom monokristalu, samose razlikuje nivo dopiranosti slojeva.

• P sloj – glavni nosioci naelektrisanjasu šupljine.

• N sloj - glavni nosioci naelektrisanjasu elektroni.

• Ako je anoda (A) pozitivna u odnosuna katodu (K) šupljine iz P oblastiprelaze u N oblast, a u suprotnom

smeru prolaze elektroni – strujaprolazi nesmetano.

• Za formiranje struje u suprotnomsmeru (inverzna struja) jedva imaslobodnih nosilaca.

• Pona šanje se opisuje jednaèinom: 4

)1()1( kT

qV

S

V

V

S e I e I I T



10/29/

1.2.1.2. DIODE – KARAKTERISTIKE

•Karakteristika realne diode:

• Odstupanja od idelane:

u direktnom smeru struja nije nulaveã 0,5…1V.

u inverznom smeru struja je zaistazanemarljiva u širokom opsegunapona (ID=-IS, IS0), ali prekoizvesnog napona dolazi do proboja.

• Pri ruènoj analizi kola sa diodamakoriste se upro šãeni modeli:

u direktnom smeru je VD=const. (a),

u inverznom smeru ID=0 (b).

5

1.2.1.3. DIODE - TIPOVI

• Obièna (usmeraèka) dioda.

• Zener-ova dioda – projektovana zaprobojnu oblast, pona ša se kao izvorkonstantnog napona.

• Tunel dioda – na delu karakteristikekoja je monotono rastuãa ima jedanopadajuãi deo – pona ša se kaonegativan otpornost.

• Varikap dioda – koristi parazitnu

kapacitivnost poluprovodnièkihslojeva, treba da se polari še u

inverznom smeru.

• Schottky-jeva dioda – ne sadrži PNspoj veã spoj metal-poluprovodnik –na taj naèin se dobije manji padnapona pri provoðenju. 6



10/29/

1.2.1.4. DIODE – PODACI

•IFAV – dozvoljena srednja struja u direktnom smeru.

• IFRMS – dozvoljena efektivna struja u direktnomsmeru.

• IFRM – ponavljajuãa vr šna vrednost ( na pr. na 50 Hz).Redovno je bar deset puta veãa od srednjevrednosti.

• IFSM – pojadinaèni strujni udar (posle treba da sledivelika pauza). Redovno je vi še desetina puta veãa odsrednje struje

• VBR – probojni napon – najveãi dozvoljeni inverzni

napon.• trr – vreme oporavka – potrebno vreme da bi dioda

pre šla iz provoðenja u zakoèenje.7

1.2.1.5. A DIODE - KUÃIŠTA

8



10/29/

1.2.2. BIPOLARNI

TRANZISTORI - OSNOVI

• Prva poluprovodnièkakomponenta (1946, BellLaboratories), koja može dapojaèava i prekida – moguãnostupravljanja glavnom strujom izpomoãnog strujnog kruga.

• Transfer+resistortransistor.

• Bipolarni: važnu ulogu igraju i

elektroni i š

upljine.• Troslojna struktura: NPN ili PNP.

• Izvodi: emitor, baza, kolektor.9

1.2.2.1 BIPOLARNI TRANZISTOR – PRINCIP

RADA

• Uobièajena polarizacija: prelaz baza-emitor u

direktnom smeru, prelaza baza kolektor u

inverznom smeru (tzv: aktivni režim)

• Struja iz I kola se preslikava u II kolo

(tranzistorski efekat) zahvaljujuãi tankom

baznom sloju.

10



10/29/

1.2.2.1 BIPOLARNI TRANZISTOR –

JEDNAÈINE

• Pona šanje se opisuje sledeãim jednaèinama(Ebers – Moll):

• Dve struje izražene preko dva napona.• Postoje i prostiji i složeniji modeli (na pr. Kod

simulacija)11

)1()1( T

BC

T

BE

V

V

SC R

V

V

SE E e I e I I

)1()1( T

BE

T

BC

V

V

SE F

V

V

SC C e I e I I

1.2.2.2 BIPOLARNI

TRANZISTOR -KARAKTERISTIKE

• Složene meðuzavisnostiizmeðu tri struje i trinapona.

• Karakterizacija familijomkrivih.

• Ulazne karakteristike:IB=f(VBE), VCE=const.

• Izlazne karakteristike:IC=f(VCE), IB=const.

12



10/29/

1.2.2.3. BIPOLARNI TRANZISTOR – MODELI

ZA AKTIVNI REŽIM• Ima vi še režima rada.• Da bi tranzistor radio kao pojaèavaè, treba da bude u

aktivnom režimu.

• U aktivnom režimu, za velike signale, približno važi (a):

• Za male signale koristi se linearni model (b):

13

, BC I I .const V BE

1.2.2.5. BIPOLARNI TRANZISTOR –

MODELOVANJE ZA DRUGE REŽIME RADA

• Zasiãenje: oba PN spoja dobijaju pozitivnu

(direktnu) polarizaciju. Približno je VBE=const.,

VCE=const.

• Zakoèenje: oba PN spoja dobijaju negativnu

pretpolarizaciju – ne teèe nikakva znaèajna struja.

• Prekidaèki režim: brzi skokoi iz zasiãenja uzakoèenje i kontra.

• Inverzni aktivni režim: kolektor i emitor zamene

ulogu (slabo tranzistorsko pona šanje).14



10/29/

1.2.2.6. BIPOLARNI TRANZISTOR –

GRANICE RADA

• U sluèaju prevelikih optereãenjatranzistor strada!

• Granice radne oblasti se predstavljajuSOAR (safe operating area)dijagramom.

• Elementi dijagrama:

I – maks. struja kolektora (ICM),

II – probojni napon (BVCE),

III – maksimalna snaga gubitaka(PDM),

IV – sekundarni proboj.15

1.2.2.7. A

BIPOLARNI

TRANZISTOR –

KUÃIŠTA

• Razlièitedimenzijeioblici uzavisnosti odsnage.

• Kod metalnihkuãi štakolektor jeredovnospojen nakuãi šte. 16



10/29/

1.2.3. JFET-OVI - OSNOVI

• Stara ideja (Lilinfeld, 1925),realizacija mnogo kasnije.

• Ideja: regulacija provodnostipoluprovodnièkog kanalapopreènim elektriènim poljem.

• JFET (junction field effecttransistor) – provodnost kanala semenja inverznim naponomdovedenim na PN spoj.

• Konstrukcija: formiraju PN spoj sa

obe strane poluprovodnièkeploèice.

• Dva moguãa tipa: P i N kanalni JFET.

• Izvodi: D-drain, S-source, G-gate. 17

1.2.3.1. JFET-OVI – PRINCIP RADA• Bez dovoðenja napona na PN spojeve (V

GS=0)

kanal provodi dobro.

• Pri negativnoj polarizaciji isprazne se nosiocinaelektrisanja iz okoline PN spoja – smanjuje seprovodnost kanala.

• Postepeni prelaz – pojaèavaèki režim, skokovitiprelaz – prekidaèki režim.

• Pozitivna polarizacija se kod JFET-ova nikad neprimenjuje – zato je struja gate-a uvek jednakanuli.

• Provoðenje u kanalu obavljaju nosioci jedne vrste – odatle naziv: unipolarni tranzistori.

18



10/29/

1.2.3.2. JFET-OVI – JEDNAÈINE

•

Op š

ti sluèaj (triodna oblast):

• Granice važenja: 0<V DS<V

GS-V

P.

• Kod malih napona VDS JFET se pona ša kao naponomkontrolisani otpornik.

• Preko granice V DS=V

GS-V

P(oblast zasiãenja):

• Ispod VP dobija se zakoèenje (ID=0).19

2

12P

DS

P

DS

P

GS

DSS DV

V

V

V

V

V I I

P

DS

P

GS DSS D

V

V

V

V I I 12 .

12

P

GS DSS

P DS

V

V I

V R

.1

2

P

GS DSS D

V

V I I

1.2.3.3. JFET-OVI - KARAKTERISTIKE

• Prenosnakarakteristika:

• Važi za oblastzasiãenja.

• Pona ša se kaonaponom kontrolisanistrujni izvor.

• Izlazne karakteristike:• Isprekidanom linijom

je obeležena granicaizmeðu triodne oblastii oblasti zasiãenja.

20



10/29/

1.2.3.4. JFET-OVI - MODELI

21

• Model za velike signale(a): naponom kontrolisanistrujni izvor, u triodnojoblasti struja zavisi od dvanapona.

• Za male signale može seformirati linearni model(b).

• Na visokim frekvencijamapotrebno je uzeti u obzir iparazitne kapacitivnosti.

1.2.3.5. JFET-OVI – KUÃIŠTA I PODACI

22

• Ne postoje JFET-ovi za velike snage – zato se

koriste samo TO-92 i SMD kuãi šta.

• Podaci:

probojni naponi: BVDS, BVGS.

maksimalna struja: IDMAX.

maksimalna snaga gubitaka: PDMAX . napon stiskanja kanala: VP.

struja zasiãenja: IDSS.



10/29/

1.2.4. MOSFET-OVI - OSNOVI

• Kao kod JFET-ova, i ovde se vr ši kontrola provodnosti

poluprovodnièkog kanala popreènim elektriènimpoljem.

• Troslojna MOS (metal-oxide-semiconductor) struktura.

• Kanal se formira u poluprovodnièkom sloju.

• Kontrolni napon se primenjuje na metalni sloj.

• Izolacioni sloj ukida galvansku spregu izmeðu metalnog i

poluprovodnièkog sloja.

• Nazivi izvoda su isti kao kod JFET-a.

23

1.2.4.1. MOSFET-OVI – TIPOVI I

PRINCIP RADA• Postoje èetiri vrste MOSFET-ova:

P ili N kanalni,

ugraðeni ili indukovani kanal.

• Ugraðeni kanal: provodi veã pri VGS=0. Za sluèaj VGS0provodnost kanala raste ili opada.

• Indukovani kanal: potreban je izvestan napon da bi seformirao kanal – dolazi do inverzije tipa.

24



10/29/

1.2.4.2. MOSFET-OVI – KARAKTERISTIKE

• Prenosne

karakteristike su

date na

prethodnom slajdu.

• Izlazne

karakteristike su

sliène kao kod JFET-

ova.

25

1.2.4.3. MOSFET-OVI – JEDNAÈINE• Za MOSFET-ove sa ugraðenim kanalom važe sliène

jednaèine kao za JFET-ove.

• Struja MOSFET-a sa indukovanim kanalom u

triodnoj oblasti (VDS<VGS-VT):

• Za male vrednosti VDS (Ohm-ska oblast):

• U zasiãenju (VDS>VGS-VT) važi:

26

.22

DS DST GS D V V V V K I

DST GS D V V V K I 2 T GS

DSV V K

R

2

1

2T GS D

V V K I



10/29/

1.2.4.4. MOSFET-OVI - MODELI

27

• Model za velike signale(a): naponom kontrolisanistrujni izvor, u triodnojoblasti struja zavisi od dvanapona.

• Za male signale može seformirati linearni model(b).

• Na visokim frekvencijama

potrebno je uzeti u obzir iparazitne kapacitivnosti.

1.2.4.5. MOSFET-OVI – KONSTRUKCIJA

ZA VELIKE SNAGE

28

• Primenjuje se vertikalna struktura (struja prolaziokomito na ravan poluprovodnièke ploèice).

• Cilj: kanal velikog popreènog preseka i male dužineradi postizanja male otpornosti.

• Izradi se veliki broj malih MOSFET-ova na jednojsilicijumskoj ploèici – paralelno se spajaju.



10/29/

1.2.4.6. MOSFET-OVI – KUÃIŠTA I

PODACI

29

• Kuãi šta su ista kao kod bipolarnih tranzistora.

• Podaci:

probojni naponi: BVDS, BVGS.

maksimalna struja: IDMAX.

maksimalna snaga gubitaka: PDMAX .

prag peovoðenja: VP .

K: parametar u izrazu za struju.

1.2.5. TIRISTORI - OSNOVI

• Prva energetska komponenta (1958, General

Electric), pomoãu koje se mogla regulisati snaga

potro šaèa prikljuèenog na mrežu (sijalica sa

užarenim vlaknom, univerzalni motori, grejaèi).

• Naèin regulacije: prvo samo fazna regulacija,

kasnije impulsno- širinska modulacija.

• Može da se koristi samo u prekidaèkom režimu.

Ukljuèenje ide lako (potreban je mali signal).Iskljuèenje može da se de šava prirodna ako glavna

struja padne na nulu ili pri nenultoj struji ali sa

komplikovanim kolom za ga šenje.30



10/29/

1.2.5.1. TIRISTORI – KONSTRUKCIJA• Èetvoroslojna struktura: PNPN (a)

• Tri izvoda: a – anoda, k-katoda, g-gate.• Glavni strujni krug: struja teèe kroz tiristor od anode

prema katodi.

• Pomoãni strujni krug: strujni impuls od gate-a premakatodi.

• Bez kontrole ne provodi ni u jednom ni u drugomsmeru.

• Grafièki simbol (c).

31

1.2.5.2. TIRISTORI – PRINCIP RAD• Prelaz u provodni režim (paljenje) i samodržeãe pona šanje se može

objasniti pomoãu ekvivalentne šeme sa dva tranzistora (b).

• Unutra šnaj pozitivna povratna sprega: Q 2 upravlja sa Q 1, Q 1 upravlja sa

Q 2.

• Na bazi ekvivalentne šeme može se formirati matematièki model

tiristora:

• Pre paljenja važi: á1, á2=0. Pri porastu struje ovi faktori rastu. Pri

á1+á

2=1 sklop dobije samodržeãe osobine.

• Iz ekvivalentne šeme se ne može zakljuèiti da se tiristor ne može

iskljuèiti negativnom strujom gate-a. U stvarnosti nije moguãe takvo

iskljuèenje, jer se samo mali deo strukture može na ovaj naèin menjati.

• Jedini naèin za iskluèenje je smanjenje glavne (anodne) struje

prirodnim putem ili ve štaèki – primenom kola za ga šenje. 32

21

211

1

COCOG

A

I I I I



10/29/

1.2.5.3. TIRISTORI – KARAKTERISTIKE

33

• Ulazna karakteristika (a) – pona ša se slièno kao jedan PN spoj, èesto seulaz premo šãava otpornikom (za štita od smetnji).

• Izlazne karakteristike (b): u iskljuèenom stanju je IA=0, kod velikog inverznog napona dolazi do

proboja kao kod dioda.

Proboj se de šava i kod velikog direktnog napona, tada ãe se tiristorukljuèuje ali to nije regularan naèin paljenja, umesto toga tiristor seukljuèuje impulsima za paljenje,

U provodnom režimu je VAK≈1V. Potrebna je minimalna struja IH zasamodržanje (ispod toga tiristor se gasi).

1.2.5.4. TIRISTORI – PODACI

34

• VDRM – probojni napon u pozitivnom (direktnom) smeru.

• VRRM – probojni napon u negativnom (inverznom) smeru.

• IFAV – maksimalna srednja struja.

• IFSM – maksimalna vr šna struja.

• trr – vreme oporavka. Nakon iskljuèenja tiristora ne možese odmah dovesti pozitivan napon, jer ãe ponovoprovesti.

• dvAK/dt – ako naglo skoèi napon u glavnom strujnom kolu,

tiristor može nekontrolisano da se ukljuèi (bez struje gate-a).

• diA/dt – pri naglom uspostavljanju struje, struja se neãeravnomerno raspodeliti na celokupnoj povr šini kristala –dolazi do lokalnog pregrevanja i eventualnog stradanjatiristora.



10/29/

1.2.5.5. TIRISTORI –

DRUGE KOMPONENTE IZ

ISTE FAMILIJE

35

• Triac – može da provodi struju uoba smera.

• GTO tiristor – može se iskljuèitivelikom negativnom strujomgate-a.

• Diac – ne postoji gate – ukljuèujese putem proboja.

• SIDAC – slièan je diac-u ali jeznatno manji napon priprovoðenju.

1.2.5.6. TIRISTORI – KUÃIŠTA

36

• Veliki opsezi napona i struje

(velika i mala kuãi šta):

100mA – xkA.

x10V – xkV.



10/29/

1.2.6. IGBT – OSNOVI

• IGBT – insulated gate bipolar transistor.

• Komponenta energetske elektronike (velike struje, velikinaponi)

• Naziv ukazuje na na sliènost sa bipolarnim tranzistorom,struktura vi še lièi na MOSFET. Dopunjen je sa P+ (jakodopiranim) slojem.

• Formira se veliki broj malih IGBT-a na istojpoluprovodnièkoj ploèici, zatim se svi paralelno spoje.

• Nazivi izvoda: C – kolektor, E – emitor, G – gate.

37

1.2.6.1. IGBT – PRINCIP RADA

• Otvaranje kanala se de šava u uzanom P slojuispod gate-a (inverzija tipa) pod uticajempozitivnog napona na gate-u.

• Nakon pokretanja struje elektrona krene velikibroj šupljina iz P+ sloja u susedni N sloj.

• Ove šupljine smanjuju otpornost N sloja

(manji gubici), ali ujedno usporavajuiskljuèenje.

• Sporiji je od MOSFET-ova, ali je brži odbipolarnih tranzistora i lak še je upravljanje.

38



10/29/

1.2.6.2. IGBT – KARAKTERISTIKE• Nema struje gate-a, IC=IE (u statièkom režimu).

•

Može se govoriti samo o prenosnim i izlaznim karakteristikama.• U ukljuèenom stanju je V

CE =V

CEsat =2V...5V.

• Prag provoðenja je redovno V T =4V...8V.

• Granice oblasti sigurnog rada: BVCE, BVGE, IDmax, Pdmax.

• Kuãi šta: kao kod bipolarnih tranzistora veãe snage. Èesto se veãibroj komponenti u nekom spoju ugraðuje u zajednièko kuãi šte(modul).

39

1.2.7. OPTOELEKTRONSKE

KOMPONENTE - OSNOVI• Fotoelektrièni efekat (A. Einstein, 1905).

• Pri bombardovanju poluprovodnika fotonima

dolazi do stvaranja parova elektron- šupljina.

• Pri rekombinaciji parova elektron- šupljina

generi šu se fotoni.

• Savremene optoelektronske komponente se

izraðuju na bazi poluprovodnika. Ranije su

kori šãene razne elektronske cevi za ove namene.

• Podela: primaju svetlost ili zraèe svetlost.

40



10/29/

1.2.7.1. OPTOELEKTRONSKE KOMPONENTE –

PRIJEMNICI SVETLOSTI

• Fotootpornici – osvetljava se slojpoluprovodnika, dolazi dostvaranja slobodnih nosilaca,Smanjuje se otpornost.

• Fotonaponski elmenat –Osvetljava se PN spoj – diodnakarakteristika se translira usmeru negativnih struja.

• Fotonaponski elemenat se koristiu IV kvadrantu - tu se de šavapretvaranje svetlosne energije u

elektriènu energiju.

41


ODAŠILJAÈI SVETLOSTI

• Fotodioda: ista konstrukcija kaokod fotonaponskog elementa,samo se primenjuje inverznapolarizacija (V<0, I<0).

• Pogodan za detekciju svetlosti.

• Fototranzistor: redovno sekonstrui še kao kombinacija

fotodiode i obiènog bipolarnogtranzistora. Struju fotodiodepojaèava tranzistor – dobija seveãa osetljivost.

42



10/29/


ODAŠILJAÈI SVETLOSTI

• LED – light emitting diode – svetleãa dioda.

• Sadrži PN spoj. Pri prolasku struje dolazi dorekombinacije parova elektron- šuplina i stvaraju sefotoni.

• Boja svetlosti zavisi od materijala poluprovodnika.

• Ranije su ove komponente kori šãene samo u svrheindikacije, danas se sve vi še koriste za osvetljenje.

• Optokapler – LED i fototranzistor u zajednièkomkuãi štu – svetlost iz LED-a upravlja tranzistorom.

•Ima takvih optokaplera kod kojih na izlazu stoji tiristorili triac.

43

1.2.7.4. OPTOELEKTRONSKE KOMPONENTE – SLIKE

44



10/29/

Kraj poglavlja 1.2.

(AKTIVNE KOMPONENTE)

Documents

Analogna elektronika 12