Tranzistory

Tranzistory

– druhy: 1. bipolárne – využívajú pohyb nosičov nábojov obidvoch polarít – elektrónov aj

dier

1. unipolárne – sú tranzistory riadené elektrickým poľom

– tranzistor je zložitejšia súčiastka ako dióda, skladá sa z dvoch PN priechodov

– štruktúra tranzistora sa skladá z 3 oblastí typu P a N, ktoré môžu byť usporiadané v poradí P-N-P – tranzistor PNP a N-P-N – tranzistor NPN

– schematické znázornenie tranzistorových štruktúr:

EP – emitorový priechod: priechod PN na rozhraní emitorovej a bázovej oblasti

CP – kolektorový priechod: priechod PN na rozhraní bázovej a kolektorovej oblasti

– schematické značky :

– podmienka vzniku tranzistorového javu – stredná oblasť – báza musí byť veľmi tenká

(1x10 ^-6 m), vtedy všetky tri oblasti môžu vzájomne spolupracovať

– podstata tranzistorového javu - ovplyvňovanie kolektorového prúdu (I_C) prúdom báza-emitor (I_BE)

Technologické zhotovenie bipolárneho tranzistora

– technologicky zhotovíme takýto tranzistor tak, že na protiľahlé strany doštičky polovodiča N nanesieme proti sebe malé množstvá trojmocného prvku

– po jeho roztopení a zliatí s materiálom základnej doštičky sa vytvoria oblasti s vodivosťou P a na rozhraní vzniknú 2 PN priechody

– zámenou materiálov dostaneme tranzistor NPN

– PN priechod na strane kolektora je rozmerovo väčší, pretože na strane kolektora sa pracuje s väčšími výkonmi (zosilňovač)

Náhradné zapojenie tranzistora vzhľadom na vodivosť priechodov PN

– tranzistor nahradíme dvoma diódami a to kolektorová (CD) a emitorová (ED) – funkčná skúška bipolárnych tranzistorov

Pripojenie tranzistora na vonkajšie napätie

– požadovaná polarizácia priechodov sa dosahuje pomocou vonkajších zdrojov

– priechod emitor – báza sa polarizuje v priepustnom smere

– priechod kolektor – báza sa polarizuje v nepriepustnom smere

– značky, usporiadanie a pripojenie tranzistora na vonkajšie napätie:

Základné zapojenie bipolárnych tranzistorov

1. zapojenie so spoločným emitorom (SE)
2. zapojenie so spoločnou bázou (SB)
3. zapojenie so spoločným kolektorom (SC)

– tranzistor má 3 vývody – emitor, kolektor, báza

– ak je zapojený ako zosilňovač, musí mať na vstupe dve svorky aj na výstupe, preto jeden vývod tranzistora musí byť spoločný pre vstupnú a výstupnú stranu

1. a)

1. b)

1. c)

Využitie bipolárnych tranzistorov

1. 
   Zapojenie tranzistora ako spínača

– spínanie tranzistora robíme ovládaním prúdu do bázy

– prepínač dáme do polohy 1, do bázy nepotečie prúd – tranzistor je uzavretý, led dióda nesvieti

– prepínač dáme do polohy 2, na bázu privádzame z kladného pólu zdroja potrebný prúd (I_B) , ktorý otvorí tranzistor – led dióda sa rozsvieti

– funkciu spínača využívame v rôznych ovládacích a indikačných obvodoch

1. Zapojenie tranzistora ako zosilňovača

– na obrázku je zapojenie so spoločnou bázou

– vstupný obvod tvorí emitor – báza, výstupný obvod kolektor – báza

– keď na tranzistor nie je pripojené žiadne napätie, vytvoria sa potenciálové bariéry a prúdy nimi netečú

– po pripojení U_EB sa potenciálová bariéra emitorového priechodu zníži a diery sú tlačené do bázy, prúd nimi preteká

– keďže báza je tenká väčšina dier prenikne ku kolektorovému priechodu a odtiaľ až do výstupu a kolektorovým priechodom tečie prúd

– ak U_KB >>U_EB potom P_K >> P_E

– ak výstupné napätie je omnoho väčšie ako vstupné napätie tak aj výstupný výkon je omnoho väčší ako vstupný výkon → dosahuje sa zosilňovací účinok

Charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov

– v praxi sa najčastejšie používa zapojenie so spoločným emitorom

– vstupné veličiny: I_B, U_BE

– výstupné veličiny: I_C, U_CE

Charakteristiky bipolárneho tranzistora v zapojení so spoločným emitorom

– sú to statické charakteristiky, ktoré znázorňujú vzájomné závislosti prúdov jednotlivých elektród a napätí medzi príslušnými elektródami

– tvorí ju:

1. Výstupné charakteristiky– sú to závislosti medzi výstupnými veličinami pričom niektorá vstupná veličina je konštantná
2. Vstupné charakteristiky – sú to závislosti medzi vstupnými veličinami pričom niektorá výstupná veličina je konštantná
3. Prevodové charakteristiky – sú závislosti medzi vstupnou a výstupnou veličinou, pričom druhá vstupná je konštantná alebo naopak

Unipolárne tranzistory

– označujeme ich skratkou FET (field – effect – tranzistors)

– sú to tranzistory riadené elektrickým poľom

– existuje celý rad týchto tranzistorov, ktoré sa odlišujú technológiou výroby a spôsobom regulácie vodivosti prúdu

1. Tranzistor ovládaný el. poľom s priechodom PN označujeme ho JFET

1. Tranzistor ovládaný el. poľom s izolačnou vrstvou MOSFET

M = metal – kov

O = oxid – kysličník

S = semiconduktor – polovodič

– najčastejšie sa používa zapojenie so spoločným emitorom

– v unipolárnom tranzistore je vstupný obvod oddelený od výstupného obvodu

– výkon vo výstupnom obvode riadime iba elektrickým napätím, ktoré privedieme na riadiacu elektródu G vstupného obvodu

Usporiadanie a činnosť unipolárneho tranzistora

– unipolárny tranzistor tvorí polovodič typu P, na ktorom sú vytvorené 2 oblasti s vodivosťou typu N spojené kanálom s vodivosťou N

– po pripojení napätia U_CE preteká kanálom prúd

– jeho veľkosť ovplyvňuje prierez kanála a koncentráciu voľných elektrónov

– výstupný prúd(kolektorový prúd – I_C) ovládame napätím riadiacej elektródy:

1. ak U_GE > 0 (kladné voči emitoru) tak vo vodivom kanáli N sa budú koncentrovať elektróny, vodivosť kanála sa zväčší a zväčší sa kolektorový prúd

1. ak U_GE < 0 (záporné voči emitoru) tak budú do oblasti kanála priťahované diery a vytláčané elektróny

– koncentrácia elektrónov sa zmenší a zmenší sa aj kolektorový prúd

Spínacie prvky

Tyristory

– polovodičová súčiastka, ktorá sa podobá dióde ale namiesto 2 vrstiev má 4 vrstvy

– schematická značka diódy a tyristora:

A – anóda

K – katóda

G – riadiaca elektróda

Prevádzkové stavy tyristora

1. Tyristor je polarizovaný záverne – to je vtedy, keď na anódu A pripojíme záporný pól zdroja, na katódu K kladný pól zdroja » neprepúšťa prúd » žiarovka nesvieti

1. Tyristor je polarizovaný v priepustnom smere – to je vtedy, keď na A pripojíme kladný pól zdroja, na K záporný pól zdroja a na riadiacu elektródu G privedieme napätie » tyristor zopne » žiarovka svieti

1. Tyristor blokuje – blokovací stav, na A pripojíme kladný pól zdroja, na K záporný pól zdroja a na riadiacu elektródu G nepripojíme napätie » žiarovka nesvieti

– tyristor sa líši od diódy blokovacím stavom

Štruktúra tyristora

– tyristor má 4 vrstvy rôznej vodivosti

– ma 3 PN priechody, ktoré sú polarizované v priamom alebo spätnom smere podľa toho aká je polarita napätia

1. Záverne polarizovaný tyristor

– ak na A pripojíme záporný pól zdroja a na K kladný pól zdroja, nastáva pohyb nosičov nábojov

– priechody J₁a J₃ sú polarizované záverne (sú ochudobnené o nosiče)

– priechod J₂ je polarizovaný priepustne (je obohatený o nosiče)

– pretože priechod J₁ je polarizovaný záverne, tyristorom neprechádza prúd » tyristor je polarizovaný v závernom smere

1. Blokovací stav tyristora

– ak na A pripojíme kladný pól zdroja a na K záporný pól zdroja, nastáva pohyb nosičov nábojov

– priechody J₁a J₃ sú polarizované v priespustnom smere

– priechod J₂ je polarizovaný záverne

– vzhľadom na pôsobenie priechodu J₂ nemôže ani teraz tyristorom prechádzať prúd » tyristor blokuje

1. Priepustný stav tyristora

– prechod z blokovacieho stavu do priepustného sa nazýva zopnutie tyristora:

– na riadiaci obvod pripojíme riadiace napätie tak ,že na riadiacu elektródu G pripojíme kladný pól zdroja

– riadiace napätie vyvolá v riadiacej elektróde prúd I_G

– okamžite zopnutie závisí od veľkosti prúdu I_G

– vypínanie tyristora:

– prechod tyristora z vodivého do nevodivého stavu si vyžaduje zásah v pracovnom obvode tyristora

– nevodivý stav tyristora nastane, ak tyristorom neprechádza prúd (prerušíme pracovný obvod)

– na tyristor pripojíme záverné napätie (vymeníme polaritu zdroja v pracovnom obvode)

VA charakteristika tyristora

Záverná charakteristika:

• popisuje správanie tyristora v závernom smere
• tyristorom tečie len veľmi malý prúd
• ak záverné napätie U_R dosiahne hodnotu prierazného napätia U_BR, záverný prúd prudko vzrastie a tyristor sa zničí

Blokovacia charakteristika:

• je charakterizovaná tým, že aj pri zvyšovaní priepustného napätia U_F až do hodnoty spínacieho napätia U_BO zostáva priechod J₂ polarizovaný v závernom smere
• prúd je veľmi malý a priebeh VA charakteristiky je rovnaký ako v závernom smere

Oblasť záporného diferenciálneho odporu:

• po dosiahnutí spínacieho napätia U_B0 nastáva nedeštruktívny prieraz priechodu J₂
• prúd z hodnoty I_BO narastie na hodnotu I_H

Priepustná charakteristika:

• priechod J₂ je vodivý, preto tyristorom môže prechádzať prúd

Použitie tyristorov v elektrických obvodoch

– spínač striedavého napätia, riadený jednocestný usmerňovač, impulzný jednosmerný menič, striedač