Tranzistory - Princíp činnosti tranzistora
Princíp činnosti bipolárneho tranzistora, prúdové rovnice.
Bipolárny tranzistor je polovodičová súčiastka, ktorá
v podstate predstavuje antisériovú kombináciu dvoch prechodov PN, ktoré sú v jedom monokryštáli usporiadané tak, že jedna z oblastí je
spoločná pre obidva prechody. Táto spoločná oblasť sa nazýva báza (B). Ďalšie dve oblasti majú opačný typ vodivosti ako báza a
nazývajú sa emitor (E) a kolektor (C). Emitor má podstatne väčšiu koncentráciu prímesí ako kolektor.
Princíp činnosti
tranzistora.
Na vysvetlenie procesov, ktoré sa uskutočňujú v bipolárnom tranzistore, použijeme napr. štruktúru NPN.
Na tranzistor pripojíme postupne dva vonkajšie zdroje, ktorých polaritu a veľkosť napätia volíme tak, ako je to znázornené na obrázku.
Uvažujme, že zdroj napätia je najprv zapojený medzi kolektor a bázu. Na prvý pohľad je zrejmé, že priloženým napätím UCE (napr. 7 V) je
prechod polarizovaný v spätnom smere. To znamená, že ním tečie len nepatrný záverný prúd, ktorý budeme v týchto úvahách predbežne
považovať za nulový. Teraz pripojíme vonkajší zdroj napätia UEB (napr. 0 , 7 V) medzi emitor a bázu tak, že emitorový prechod je
polarizovaný v priamom smere. Prechodom báza-emitor začne tiecť prúd väčšinových nosičov, ktorý nazývame emitorovým prúdom IE (napr. 1
mA); diery prechádzajú z bázy do emitora, elektróny z emitora do bázy. V oblasti bázy (s vodivosfou P) sú však elektróny menšinovými
nosičmi (nadbytočnými menšinovými nosičmi), pre ktoré je kolektorový prechod otvorený. Pretože oblasť bázy je tenká, prejdú takmer
všetky elektróny bázou ku kolektorovému prechodu a ďalej do kolektora a vytvoria kolektorový prúd IC, napr. 0,998 mA. V dôsledku
rekombinácie zanikne veľmi malá časť elektrónov v oblasti bázy, takže kolektorový prúd je menší ako emitorový prúd. Rozdiel obidvoch
prúdov IE - IC = l - 0,998 = 0,002 mA sa rovná prúdu dier v báze, s ktorými rekombinovali elektróny, a nazýva sa prúdom bázy
IB = 0,002 mA.
Ďalej budeme venovať pozornosť výkonovým pomerom: vonkajší zdroj UEB dodáva do emitorového obvodu výkon
UEB . IE = 0,7 . 1 . 10-3 = 0,7 mW. V dôsledku toho môžeme zo zdroja UCB, v kolektorovom obvode odoberať výkon UCB . IC = 7 .
0,998 . 10 -7 = 6,986 mW, čo je výkon približne desaťkrát väčší ako výkon, dodaný do emitorového obvodu.
Pri
konštantnom napätí UCB je kolektorový výkon úmerný kolektorovéu prúdu, ktorý závisí zasa od emitorového prúdu. Ak sa teda zmení
emitorový prúd, zmení sa aj kolektorový výkon. Z toho vyplýva dôležitý záver: veľký výkon v kolektorovom obvode možno ovládaf pomerne
malýmvýkonom v emitorovom obvodepomocou emitorového prúdu. Dokázali sme, že tranzistormá schopnosť zosilňovať výkon. Podobnýmspôsobom
možno opísať činnosť tranzistora PNP. Treba však zmeniť polaritu zdrojov a vymeniť úlohy elektrónov a dier.
Prúdové
rovnice
Zapojenie SB:
Pre tranzistor ako všeobecný uzol platí IE = IC + IB.
Platí aj rovnica IC = a . IE +
ICB0 = a . IE => a = IC / IB. Táto rovnica vyjadruje skutočnosť, že kolektorový prúd je vytvorený skoro velým prúdom emitora a zvyškovým
prúdom ICB0.
a [h21B] je statický prúdový zosilňovací činiteľ v zapojení SB.
Zapojenie SE:
Pre tranzistor
ako všeobecný uzol platí IE = IC + IB.
Pre toto zapojenie si upravíme prúdovú rovnicu platnú v zapojení SB: IC = b . IB + ICE0 = b .
IB,
kde b = a / 1 - a; a = b / b + 1; ICE0 = ICB0 / 1 - a = (b + 1) . ICB0
b [h21E] je statický prúdový zosilňovací činiteľ v
zapojení SE.
Základné medzné a charakteristické (statické) parametre.
Charakteristické hodnoty tranzistora.
V katalógu zvyčajne nájdeme tieto charakteristické hodnoty tranzistorov:
- odporúčaný pracovný bod
- diferenciálne parametre he alebo hb alebo ye
- pracovné body pre saturačný stav,
- hraničnú frekvenciu fT alebo fh21e, alebo fh21b
- medzielektródové kapacity,
- zvyškový prúd
- šumové číslo
- výkonový zisk.
Podľa typu tranzistora v katalógu sa môžu uviesť aj iné údaje. Pri všetkých charakteristických hodnotách
musí byť udaný pracovný bod, frekvencia a teplota prechodu, príp. teplota okolia alebo púzdra, pre ktoré údaj platí, prípadne dalšie
podmienky jeho platnosti. Charakteristické hodnoty sú priemernými hodnotami pre daný typ tranzistora. Vlastnosti jednotlivých súčiastok sa
môžu od menovitých hodnôt líšiť v rozsahu dovolených tolerancií.
Komplementárne tranzistory.
Dva typy
tranzistorov s opačnou vodivosťou elektród NPN a PNP, ktoré majú rovnaké absolútne hodnoty charakteristických a hraničných veličín sa
nazývajú komplementárne typy tranzistorov. Ako príklad môžeme uviesf tranzistory KF 507 a KF 517. Jednotlivé tranzistory každého typu majú
určitý rozptyl skutočných hodnôt a menovitých hodnôt v rozsahu dovolených tolerancií. Meraním a triedením podIa niektorého dôležitého
parametra môžeme z nich vybrať páry (1 kus PNP a 1 kus NPN) s rovnakou absolútnou hodnotou tohto parametra (v katalógu je uvedená dovolená
veľkosť odchýlky). Takýto pár tranzistorov nazývame komplementánou dvojicou. Ako komplementárne dvojice sa dodávajú napr. aj výkonové
tranzistory.
Hraničné hodnoty tranzistora.
Kvôli zabezpečeniu bezpečnej prevádzky tranzistora sa
udávajú tieto veličiny:
1. Hraničné prúdy všetkých elektród tranzistora, a to najväčšie trvale dovolené hodnoty: IC, IE a lB a
špičkové hodnoty: ICM, IEM a IBM.
2. Hraničné napätia medzi kolektorom a spoločnou elektródou, a to:
- pre zapojenie so
spoločnou bázou UCB a UCBM
- pre zapojenie so spoločným emitorom UCE a UCEM
Najväčšie dovolené napätie v zapojení so
spoločným emitorom nie je udané jednoznačne - závisí od veľkosti vonkajšieho odporu RBE, pretože má úzku súvislosť s veľkosťou
zvyškového prúdu. Preto sa pri hraničnom napätí zvyčajne udáva veľkosť odporu RBE, pri ktorom uvedený údaj platí, alebo sú údaje
rozlíšené dalším indexom. Všetky hraničné kolektorové napätia sú udané tak, aby nedošlo k prierazu prechodu báza-kolektor.
3.
Hraničné záverné napätia emitorového prechodu UEB a UEBM.
4. Hraničný kolektorový stratový výkon PC. Je to najväčšia dovolená
veľkosť súčinu kolektorového prúdu IC a napätia v pokojovom pracovnom bode tranzistora pri danej teplote a spôsobe chladenia. Niekedy sa
udáva celkový hraničný stratový výkon všetkých elektród tranzistora Ptot.
5. Hraničné teplotné údaje sú rovnaké ako pri
polovodičových diódach.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta