Bipolární tranzistory Základní uspořádání, princip a funkce

Bipolární tranzistory (BT) uč. otázky: Základní uspořádání BT (+ opakování PN přechodu) Fyzikální princip činnosti BT Základní zapojení BT Proudové zesílení β a další parametry tranzistorů Zatěžovací přímka Základní zapojení BT a srovnání jejich vlastností Princip využití BP tranzistoru jako spínače Princip využití BP tranzistoru jako zesilovače Nastavení a stabilizace pracovního bodu

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory - konstrukce

Z historie polovodičových součástek                Diodový jev byl známý dávno před vynálezem tranzistoru. Využíval se například už ve 20. letech 20. století v nejjednodušších radiopřijímačích - krystalkách. Plošek krystalu galenitu se dotýkal jemný kovový hrot a v místě dotyku se vytvořil přechod PN, potřebný k usměrnění signálu. Výzkumu vlastností polovodičů se v Bellových laboratořích (USA) začali hned po 2. světové válce věnovat William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Koncem roku 1947 při pokusech s krystaly germania objevili tzv. tranzistorový jev - možnost ovlivňování procházejícího proudu napětím připojeným k hrotové elektrodě. Jméno nové polovodičové součástky - tranzistor - vzniklo jako kobinace anglického označení transfer resistor (fotografie). S novým vynálezem se 23.12.1947 seznámilo vedení Bellových laboratoří a po dalším zdokonalení technologie a zpracování patentu byl v červnu 1948 vynález zveřejněn. Již za několik let našel tranzistor uplatnění, nejprve v naslouchacích přístrojích a zakrátko i v prvních tranzistorových přijímačích a dalších přístrojích. Začala nová éra elektroniky.

Tranzistory Tranzistory jsou zesilovací (aktivní) polovodičové prvky.Je možné je dělit na bipolární a unipolární (podle podílů nosičů nábojů na zesilování) bipolární – z latinského bis = dva (krát) unipolární – z latinského unus = jeden Výraz tranzistor – vznikl ze slovního spojení TRANsfer reZISTOR = změna odporu

Podle technologie výroby je rozdělujeme na: unipolární – na vedení proudu se podílí pouze jeden typ nosičů – většinové (majoritní) nosiče bipolární – na vedení proudu se podílejí oba typy nosičů (většinové i menšinové), přičemž aktivní částí tranzistoru je jen jeho malá část – přechody a přilehlé oblasti.  

Tranzistory bipolární Jedná se o třívrstvé součástky se třemi vývody, která má zesilovací schopnost.

Tranzistory NPN (emitor je polovodič typu N, báze je vrstvička polovodiče typu P a kolektor je opět polovodič typu N PNP (emitor je polovodič typu P, báze je vrstvička polovodiče typu N a kolektor je opět polovodič typu P

Základní uspořádání BT (+ opakování. PN přechodu)                                                                                       obr. 1: Struktura křemíku při teplotě blízké 0 K (vpravo energetické hladiny)

Základní uspořádání BT (+ opakování. PN přechodu)                                                                                       obr. 2: Při zvýšení teploty se některé vazby poruší. Po elektronech, které opustily vazbu, zůstane nenasycená vaz

Toto je princip vlastního polovodiče. I = Ie+Id                                                                          obr. 3: Pohyb díry d po křemíku

Opakování..proud I křemíkem I= Iele+Iděr. < 0

Opakování PN PN-přechod BEZ NAPĚTÍ je v rovnováze Ie= Id hradlová vrstva ..elektrony a díry se nemohou dostávat k přechodu, neboť jim v tom brání vytvořené vnitřní elektrické pole. Oblast u přechodu, která neobsahuje volné částice s vázaným nábojem, se nazývá hradlová vrstva

Opakování PN PROPUSTNÝ PN-přechod I= Ie+Id Tok elektronů Tok děr

Opakování PN NE-PROPUSTNÝ PN-přechod I= Ie+Id Bariera= UZAVŘENÍ PŘECHODU

Bipolární tranzistor Tranzistor typu PNP Tranzistor typu NPN                              Tranzistor typu PNP Tranzistor typu NPN Bipolární tranzistor je základní polovodičová součástka, která obsahuje dva PN přechody. Tyto přechody jsou od sebe odděleny tenkou vrstvou polovodiče. Výsledná struktura tranzistoru vypadá takto.

Bipolární tranzistory - konstrukce

K principu činnosti Ιc= β·ΙB

Fyzikální princip činnosti BT tranzistor není připojený do obvodu napájení Tranzistor je nepřipojený do obvodu

Fyzikální princip činnosti BT tranzistor JE připojený do obvodu napájení Ιc= β·ΙB ΙB Důležitým parametrem tranzistoru je jeho proudový zesilovací činitel:

Ie=Ib+Ik, 1. Kirchhoffův zákon Fyzikální princip činnosti BT tranzistor JE připojený do obvodu napájení Ιc= β·ΙB Ie=Ib+Ik, 1. Kirchhoffův zákon Činnost: jestliže k bázi připojíme zdroj malého vstupního napětí (například z mikrofonu nebo magnetofonové hlavy), přecházejí elektrony z emitoru do báze( 3%) (propustný směr), ale většina( 97%)pokračuje přes přechod báze - kolektor do kolektoru, protože jsou k němu přitahovány velkým kladným napětím.

Tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem pracuje takto Vstupní elektrodou je báze a výstupní elektrodou je kolektor. Obvod báze je tvořen přechodem báze - emitor a je zapojen v propustném směru. Výstupní elektrodou je kolektor, obvod je tvořen oběma přechody PN mezi emitorem a kolektorem a je zapojen v závěrném směru. STAV NAPÁJENÍ báze je tedy připojena k malému kladnému napětí (propustný směr), a kolektor k velkému kladnému napětí (závěrný směr),. Činnost: jestliže k bázi připojíme zdroj malého vstupního napětí (například z mikrofonu nebo magnetofonové hlavy), přecházejí elektrony z emitoru do báze( 3%) (propustný směr), ale většina( 97%)pokračuje přes přechod báze - kolektor do kolektoru, protože jsou k němu přitahovány velkým kladným napětím. Malá změna proudu IB v obvodu báze vyvolá velkou změnu proudu IK v obvodu kolektoru.

Příklad katalogových. max. hodnot tranzistoru 2N2222: Collector-Base Voltage = 60 v Collector-Emitter Voltage = 30 v Base-Emitter Voltage = 5 v Power dissipation = 500 mW Temperature 1250 C

Uplné char. čtyřpolů jako zesilovače

Nastavení a stabilizace pracovního bodu

Nastavení klid.pracovního bodu P0 tranzistoru v zapojení SE UCE napětím kolektor-emitor UBE stejnosměrným předpětím báze-emitor.

Harmonické zkreslení

Správně nastavené zesilovací poměry

Chybně nastavený klidový pracovní bod Má-li zesilovač pracovat jako lineární čtyřpól, nesmí pracovní oblast na jeho amplitudové charakteristice vybočit z lineární oblasti

Přebuzený tranzistor

Nastavení klid. prac bodu Po v obv. báze

Princip zesílení střídavého signálu na úplných char. (ve 4 kvadr).

Podle pracovních třídy = umístění prac. bodu třída A - mají klidový pracovní bod umístěný v lineární části charakteristiky. Zesilovače mají malé zkreslení a účinnost (odebírají v klidu větší proud), jsou určeny pro všeobecné použití. třída B - mají klidový pracovní bod umístěn v bodě zániku kolektorového. proudu. Používají se v dvojčinném zapojení (každý prvek zesiluje jednu polovinu periody signálu. třída C - mají klidový pracovní bod umístěn za bodem zániku kolektorového proudu. Používají se ve vysokofrekvenční technice. třída Dzesilovače které pracují na principu pulzní šířkové modulace, signál řídí pulzně spínání zesilovače a šířkám pulzů odpovídá zesílený signál.

Pracovní třídy zesilovačů

Podle polohy pracovního bodu rozeznáváme 4 třídy zesilovačů A - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po celou periodu signálu - říkáme, že úhel otevření 0 = 2 B - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po dobu půl periody, t.zn., že úhel otevření 0 =  C - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po dobu menší, než je půl periody, t.zn. že 0  . D - zesilovače které pracují na principu pulzní šířkové modulace, signál řídí pulzně spínání zesilovače a šířkám pulzů odpovídá zesílený signál.

Princip zesílení střídavého signálu na uplných char. (ve 4 kvadr).

Proč digitální zesilovače ? CLASS D - digitální zesilovače třídy D Tyto zesilovače dosahují vysoké účinnosti - typicky 90% proti klasickým zesilovačům třídy A - ty mají účinnost pouze 10%, AB a B - mají běžně 50-55%. Pro někoho těch 40% nevypadá dostatečně rozdílně, ale pro velké výkony je to již podstatné ! Z toho plyne nutnost použít větší trafo, větší a robustnější skříň, větších filtrační kondenzátory a větší chladič a tedy i vyšší náklady na celý zesilovač. Nepodstatná je i nižší hmotnost zesilovače. Trochu méně výrazná je i menší spotřeba energie - výhodné pro zastánce strany Zelených. Velkou výhodou jsou i menší rozměry desek zesilovačů. Použité spínací tranzisitory mohou mít za provozu až 100 st. Celsia bez ohrožení zesilovače. Bipolární tranzistory se doporučuje provozovat max. do 80 st. Celsia. Kvalita zvuku je vynikající, protože tyto zesilovače nemají zkreslení, které vzniká u klasických zesilovačů při průhodu signálu nulou. Výšky jsou čisté a brilantní, basy jsou konkrétní, plné a čisté.Zesilovače používají princip PWM s výstupním filtrem 2. řádu. Všechny zde uvedené moduly mají ochanu proti zkratu na výstupu. PŘ. Díky technologii CLASS D stačí použít pro 500W výkonu trafo pouze 500W. Masivní čisté basy. Ochrana proti zkratu. Žádný jiný zesilovač v prodávaných aktivních reprosoustavách nesahá tomuto zesilovači po kotníky

-PRINCIP CLASS D – digitální zesilovače třídy D

Digitální zesilovače třídy D MDA1000SE - 2x 450W / 1x 900W Žádný jiný zesilovač v prodá- vaných aktivních reprosousta- vách nesahá tomuto zesilovači po kotníky . Masivní čisté basy. Ochrana proti zkratu. Lze zapojit do můstku - 2 x 450W / 4 ohmy - 1 x 900W / 8 ohm - ochrana proti zkratu - napájení +/- 70V /  +/- 24V - účinnost 89% !

Bipolární tranzistory – nastavení pracovního bodu SEPNUTÍ VYPNUTÍ

Zatěžovací přímka pro otevřený tranzistor Ic=Ubb / Rc+Re

Zatěžovací přímka

Zatěžovací přímka

Způsoby nastavení předpětí báze (proudu IB) (BCY 59) DOPORUČENO IQ=9.IB Příklad: Pro BCY59 v zapojení SE při UB=16 V je třeba nastavit UBE=0,62 V vstupním děličem. Určete odpory R1 a R2 děliče při povoleném příčném proudu děličem IQ=9.IB. (Z charakteristik: při UBE=0,62 V je IB=0,2 mA.) PAK.. R2=UBE/9.IB=0,344 kΩ, R1=UB-UBE/10.IB=7,69 kΩ.

-Bipolární tranzistory – stabilizace pracovního bodu

Bipolární tranzistory – stabilizace pracovního bodu

Zkuste si... Změřit zbytkový kolektorový proud tranzistoru Ik0 1. Změřit zbytkový kolektorový proud tranzistoru Ik0. Je to vlastně závěrný proud diody báze - kolektor. Máte-li dostatečně citlivý ampérmetr, můžete měřit přímo podle zapojení na obr.

Změřte proudový zesilovací činitel b v zapojení se společným emitorem Změřit proudový zesilovací činitel b v zapojení se společným emitorem. Můžete měřit v zapojení podle obr.. Při sepnutí spínače se proud Ib změní z nuly na i, Ik se změní z Ik0 na I. Beta je vlastně přírůstek kolektorového proudu při zvýšení proudu bazí o jednotkový proud, čili b =(I-Ik0)/i .

Příklad VA charakteristiky tranzistoru v propustném směru a zatěžovací charakteristika

jako napěťový zesilovač Základní a nejčastější zapojení SK=Společný Emitor.. NPN Common Emitter Amplifier Použití: jako napěťový zesilovač

Př.NPN ZESILOVAČ SE

Uzemnění střídavé složky Emitter Resistor Bypass (36μF~ 20Hz)

Princip využití BP tranzistoru SE jako zesilovače

Základní vlastnost zapojení tranzistoru se SE SE-invertuje Uvst= je v protifázi k Uvyst

Jednostupňový zesilovač s bipolárním tranzistorem v zapojení SE a) schéma, b) frekvenční charakteristika. 3.8.1.

K významu některých prvků Kolektorový odpor RC. Velikost tohoto odporu dosti ovlivňuje pracovní bod tranzistoru. Velký odpor použijeme pro dosažení co nejmenšího šumu. Malý odpor pro co největší výstupní proud a malý výstupní odpor. Vlivem malého RC tedy prochází větší kolektorový proud ICE. Rezistor RE. - zavádí proudovou zápornou zpětnou vazbu Tento rezistor stabilizuje nastavený pracovní bod. Zmenšuje však dosažitelný rozkmit napětí. Dále do obvodu zavádí zápornou zpětnou vazbu a tím zmenšuje zkreslení. Kondenzátor CE. Pro stejnosměrný proud nemá vliv. Pro střídavý, který na RE vytvořil úbytek napětí, však působí jako přemostění.

Frekvenční charakteristika Frekvenční charakteristika udává, jak se mění činitel napěťového zesílení Au v  závislosti na frekvenci vstupního signálu. Šířka přenášeného pásma zesilovače je určena tak, že stanovíme body, v nichž zesílení poklesne o 3dB vůči frekvenci při které nenastává útlum. Zesílení je definováno jako poměr změny výstupního napětí vůči změně vstupního napětí, která tuto změnu vyvolala. Au =

Bipolární tranzistor jako spínač

Tranzistory – základní typy a zapojení Rozdíl mezi tranzistorem typu NPN a typu PNP spočívá v podstatě jen v opačné polaritě při jejich napájení. Tranzistory jsou v obvodech zapojeny třemi možnými způsoby: "se společnou bází", "se společným kolektorem" nebo "se společným emitorem„ …SE. Poslední zapojení je v elektronických přístrojích nejčastější.

jako napěťový zesilovač Základní a nejčastější zapojení SK=Společný Emitor.. NPN Common Emitter Amplifier Použití: jako napěťový zesilovač

SE jako zdroj konst. proudu Current Source

Emitter Follower Applications

SK (společný kolektor) emitter follower "buffer" Amplifier NPN The common collector amplifier, often called an emitter follower since its output is taken from the emitter resistor, is useful as an impedance matching device since its input impedance is much higher than its output impedance. It is also termed a "buffer" for this reason and is used in digital circuits with basic gates.

Praktické zapojení SK= emitorový sledovač

NPN Common Collector Design

Emit. sledovač ..buffer..v praxi

Společná báze NPN Common Base Amplifier

Bipolární tranzistor jako zesilovač – přehled zapojení a srovnání vlastností-

Vícestupňové zesilovače

Proudové zesílení β a další parametry tranzistorů         IC = IB . β ( Uce = konst.) »»

Bipolární tranzistor jako spínač

Bipolární tranzistor jako spínač

Princip využití BP tranzistoru jako spínače PRINCIP SPÍNÁNÍ: neprochází-li proud bazí, je tranzistor zavřený a funguje jako rozepnutý spínač. Při průchodu určitého proudu bazí se tranzistor otevírá a funguje jako sepnutý spínač.

Stačí tranzistoru dvě "nožičky"? Fototranzistor Stačí tranzistoru dvě "nožičky"? Fototranzistor je bipolární tranzistor ¤, který nemá vyvedený kontakt k bázi, ale má na přechodu báze-emitor průhledné okénko. Tento přechod funguje jako fotodioda. Když je osvětlen, vytvářejí se na něm páry elektron - díra. Elektrony se v elektrickém poli pohybují do báze. Další princip je zcela stejný jako u obyčejného tranzistoru ¤

Fototranzistor

Princip využití BP tranzistoru jako zesilovače Jako zesilovač signálu - na bazi se přivádí malý řídící proud, kterým se ovládá velký proud v kolektorovém obvodu - viz zapojení

Podle technologie výroby je rozdělujeme na: unipolární – na vedení proudu se podílí pouze jeden typ nosičů – většinové (majoritní) nosiče bipolární – na vedení proudu se podílejí oba typy nosičů (většinové i menšinové), přičemž aktivní částí tranzistoru je jen jeho malá část – přechody a přilehlé oblasti.  

Tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem pracuje takto: vstupní elektrodou je báze a výstupní elektrodou je kolektor. Obvod báze je tvořen přechodem báze - emitor a je zapojen v propustném směru. Kolektorový obvod je tvořen oběma přechody PN mezi emitorem a kolektorem a je zapojen

Kontrolní otázky: 1.Jaké je rozdělení tranzistorů podle technologie výroby ? 2.  Co jsou unipolární tranzistory ? 3. Nakreslete značku tranzistoru JFET a NMOS. 4.  Vysvětlete činnost tranzistoru JFET.