Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Princip tranzistorů II. Orbis pictus 21. století Princip tranzistorů II. Obor: Elektrikář Ročník: 1. Vypracoval: Ing. Jiří Šebesta, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Uvažujme bipolární tranzistor v zapojení SE Základními charakteristikami tohoto tranzistoru jsou tzv. výstupní charakteristiky (závislost kolektorového proudu na napětí kolektor emitor pro parametr bázového proudu).

Výstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru lze rozdělit na dvě oblasti. Oblast aktivní, kdy je napětí UCE dostatečně vel-ké, volné elektrony, které prolétnou přes bázi do kolektoru jsou přitahovány kladným dostatečným napě-tím kolektoru. Druhou oblastí je sa-turace, kdy je napětí UCE již malé a tranzistor přestává zesilovat. Hranici mezi oblastmi tvoří saturační přímka.

Do výstupní charakte-ristiky tranzistoru lze zakreslit zatěžovací přím-ku, která odpovídá hod-notě zatěžovacího rezis-toru. Např. pro zelenou zatěžovací přímku je odpor Nastavme proud báze na hodnotu 80 mA, pak průsečík výstupní chara-kteristiky pro tento proud a příslušná zatěžovací přímka definují pracovní

bod tranzistoru P1, který přesně definuje aktuální napěťové a prou-dové poměry ve výstupním obvodu tranzistoru.  Napětí kolektor – emitor je 2 V. Zbytek napětí do hodnoty napájecího napětí musí být na zatěžovacím rezistoru (zatěžovací rezistor a obvod CE tranzistoru jsou v sérii):  Kolektorový proud je z grafu 2,45 A, lze jej také dopočítat z úbytku napětí na zatěžovacím rezistoru:

Ve výstupních charakteristikách je naznačen i druhý případ, kdy zatěžovací rezistor bude odpovídat tmavě modré zatěžovací přímce. Jeho odpor je: Pro bázový proud 80 mA do-staneme pracovní bod P2, napětí UCE teď bude 5,6 V. Na zátěži bude 5,4 V a kolektorový proud je 2,46 A. Pro zmenšující se ohmickou hodnotu zátěže roste napětí UCE na tranzistoru, klesá napětí na zátěži a také výkon na zátěži klesá.

Na této výstupní chara-kteristice tranzistoru je znázor-něn vliv změny bázového proudu. Postupné zvyšování bázového proudu posouvá pracovní bod po zatěžovací charakteristice (od tmavě modrého) k větším kolek-torovým proudům. Současně klesá napětí UCE, až pro IB = 140 mA (růžový pracovní bod) se dostaneme do saturace, tranzistor je plně otevřen, další zvyšování bázového proudu již nezvyšuje proud kolektorový, proudový zesilovací činitel  začíná klesat.

Na této výstupní chara-kteristice tranzistoru je znázor-něn vliv změny napájecího napětí výstupního obvodu. Zatěžovací odpor zůstává stejný (rovnoběžné zatěžovací přímky). Postupné snižování napájecího napětí (od 12 V po 4 V) posouvá pracovní bod po zatěžovací charakteristice (bázový proud je nastaven na 60 mA) k nižším napětí UCE. Pro napájecí napětí 4 V se již dostáváme do saturace, klesá nejen napětí UCE, ale i kolektorový proud.

V této výstupní chara-kteristice tranzistoru je znázor-něn optimální pracovní bod – buzením bázovým proudem 80 mA pro zatěžovací odpor 2  dostaneme napětí UCE 5 V a IC 2,5 A. Na zátěži je také úbytek 5 V. Je zřejmé, že při změně bázového proudu (například přidaným audio-signálem) se budeme pohybo- vat v lineární oblasti (daleko od saturce, daleko od zahrazení).  Žlutá oblast definuje ztrátový výkon na tranzistoru, tzv. kolektorovou ztrátu (na bázi je ztráta nepoměrně menší):

V této výstupní chara-kteristice tranzistoru je zobrazena aktivní pracovní oblast. Ta je omezena jednak maximálním napětím UCEmax (10 V), pak také maximálním kolektorovým proudem ICmax (4 A) a maximální výkonovou kolektorovou ztrátou PCmax – definuje ji růžová křivka (cca 20 W).  Žlutá oblast definuje bezpečnou oblast, kdy nedojde ke zničení tranzistoru. V této oblasti je třeba volit vhodný pracovní bod.

V této výstupní charakteristice tranzistoru je zobrazen princip tranzistoru jako zesilovače střídavého signálu (sinusovky). Pracovní bod je nastaven do bodu Q (bázový proud 0,1 mA). Pokud na tento proud na-superponujeme (přidáme) ma-lý střídavý signál (s rozkmitem 0,1 mA), kolektorový proud jej bude kopírovat s rozkmitem 4 mA. Napětí kolektor – emitor se bude rovněž měnit v rytmu vstupního signálu, avšak inverzně (např. v čase  je vstupní signál maximální - bázový proud je 0,15 mA, napětí UCE je však minimální cca 6 V). Říkáme, že zesilovač s tranzistorem zapojeným SE je invertující.

Mimo zapojení bipolárního tranzistoru SE se používá i zapojení se společným kolektorem SC. Výhodou tohoto zapojení je velký vstupní odpor, který nezatěžuje gene-rátor a naopak malý výstupní odpor. Toto zapojení se používá k transformaci malého odporu na velký a nazývá se emitorový sledovač. Poslední variantou je zapojení se společnou bází SB. Zapojení se používá pro vysoko-frekvenční zesilovače, kdy může dosá-hnout lepších výsledků než zapojení SE .

Unipolární tranzistory se na rozdíl od bipolárních vyznačují tím, že při jejich otevření vznikne jediný kanál (s jedním majoritním nosičem – např. volné elektrony) Mimo klasických příměsových o-blastí P a N obsahuje unipolární tranzistor izolační vrstvu (žlutá oblast) z oxidu křemičitého, která odděluje hradlo H nebo také gate G (čti gejt) (řídící elektroda odpovídající bázi u bipolárního tranzistoru). Dalšími elektodami je emitor E neboli source S (čti sórs) a kolektor C neboli drain D (čti drejn). V klidu odpovídá struktuře tranzistoru horní obrázek, oblasti N jsou velmi silně dotovány. Jakmile bude mezi hradlem a emitorem kladné napětí, volné

elektrony ze silně dotované oblasti N emitoru se vysunou směrem ke hradlu pod vrstvu izolace a vznikne kanál (tzv. indukovaný kanál), kterým se pak mohou elektrony volně pohybovat mezi emitorem a kolektorem (spodní obrázek). Uvedený případ odpovídá tzv. MOS-FET tranzistoru s indukovaným N-kanálem (FET = „Field Effect Transistor“ – napětí na hradle generuje pole ovlivňující stav kanálu). Bude-li vznikat P kanál (výměna oblastí v obrázku struktury -nosičem budou majoritní díry), jedná se o tzv. MOS-FET tranzistor s indukovaným P-kanálem (šipka ve schématické značce bude opačně, viz dále) Existují i varianty, kdy bez napětí je kanál vytvořen a napětím na hradlu se pak zaškrcuje (vypuzují se volné nosiče) – takovým

MOS FET tranzistorům se říká s ochuzovacím kanálem MOS FET tranzistorům se říká s ochuzovacím kanálem. Ve schématické značce není kanál přerušovaný.  Kanál je indukován nebo ochuzován napětím UGS, tzn. že unipolární tranzistory jsou řízeny napětím (u bipolárních je řízení proudové).

Výstupní charakteristiky MOS-FET tranzistoru s indukovaným N-kanálem se dělí na oblast saturace (vpravo za přerušovanou čarou – zvyšování napětí UDS již nezvyšuje proud ID) a oblast kde se tranzistor chová jako napětím řízený odpor (vlevo od přerušované čáry – řídící napětí mění strmost křivky – a tedy i odpor kanálu RDS).

Výstupní charakteristiky MOS-FET tranzistoru s ochuzovacím N-kanálem jsou obdobné jako u tranzistoru s obohacovacím kanálem, řídící napětí UGS však může být záporné (proces ochuzení) nebo i kladné (oblast dalšího obohacení). Z chara-kteristik je zřejmé, že kanál je otevřený i při nulovém napětí UGS. Mimo uvedené typy MOS-FET, existují tranzistory J-FET, které se chovají stejně jako ochuzovací MOS-FET, jen řídící napětí UGS nemůže být větší než 0 V u N-kanálu.

Děkuji Vám za pozornost Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Jiří Šebesta Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky