Παρουσίαση του PowerPoint · 2015-09-18 · επαφής είναι ότι η βάση...

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι Ενότητα 3: Διπολικά Τρανζίστορ (BJT)

Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

2

Χρηματοδότηση • Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3

Σκοποί ενότητας (1)

• Εξήγηση των τριών τύπων πόλωσης ενός διπολικού τρανζίστορ (BJT): βάσης, διαιρέτη τάσης γκαι εκπομπού.

• Ανάλυση της λειτουργίας του τρανζίστορ σε κύκλωμα διακόπτη και σαν ενισχυτής χαμηλού σήματος.

4

Περιεχόμενα

• Το Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής.

• Παραδείγματα.

• Βασικά προβλήματα.

5

Το Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής

• Η δομή του διπολικού τρανζίστορ επαφής (BJT).

• Ρεύματα και τάσεις .

• Το διπολικό τρανζίστορ σαν διακόπτης.

• Συσκευασίες και ακροδέκτες τρανζίστορ.

• Το διπολικό τρανζίστορ σαν ενισχυτής.

• Εντοπισμός και διόρθωση βλαβών.

6

Το Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (Bipolar Junction Transistor, BJT)

• Το διπολικό τρανζίστορ επαφής αποτελείται από τρεις διαδοχικές ημιαγώγιμες περιοχές με προσμίξεις (doped semiconducting regions) που χωρίζονται μεταξύ τους από δύο επαφές pn.

7

Οι Δύο Τύποι των Διπολικών Τρανζίστορ

• Τα τρανζίστορ μπορεί να είναι τύπου npn (δύο ημιαγώγιμες περιοχές τύπου n χωριζόμενες από μια στενή περιοχή τύπου p) ή τύπου pnp (δύο περιοχές τύπου p χωριζόμενες από μια στενή περιοχή τύπου n).

• Σε κάθε περίπτωση, η μεσαία περιοχή του τρανζίστορ επαφής ονομάζεται βάση (base) Β και οι δύο ακραίες ονομάζονται εκπομπός (emitter) Ε και συλλέκτης (collector) C.

Εικόνα 1:Οι Δύο Τύποι των Διπολικών Τρανζίστορ. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

8

Οι Επαφές του Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής (1/2)

• Η επαφή pn που συνδέει τη βάση με τον εκπομπό ονομάζεται επαφή βάσης-εκπομπού ή επαφή ΒΕ (base-emitter junction).

• Εικόνα 2: Οι Επαφές του Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

9

Οι Επαφές του Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής (2/2)

• Η επαφή pn που συνδέει τη βάση με το συλλέκτη ονομάζεται επαφή βάσης-συλλέκτη ή επαφή BC (base-collector junction).

• Αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του τρανζίστορ επαφής είναι ότι η βάση περιέχει λίγες προσμίξεις (lightly doped) και είναι πολύ στενή σε σύγκριση με τον εκπομπό και το συλλέκτη που περιέχουν μεγάλο ποσοστό προσμίξεων (heavily doped).

10

Σύμβολα Τρανζίστορ Επαφής (1/2)

• Σε κάθε περίπτωση, η επαφή BE σημειώνεται με ένα βέλος στο σύμβολο του τρανζίστορ και μας βοηθάει να εντοπίζουμε τον εκπομπό Ε. Η φορά του βέλους είναι η φορά που άγει η επαφή pn, δηλαδή, από το p στο n.

Εικόνα 3: Σύμβολα Τρανζίστορ Επαφής. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

11

Σύμβολα Τρανζίστορ Επαφής (2/2)

Έτσι,

• Στο τρανζίστορ npn, το βέλος είναι από τη βάση (Β) προς τον εκπομπό (Ε).

• Στο τρανζίστορ pnp, το βέλος είναι από τον εκπομπό (Ε) προς τη βάση (Β).

12

Συσκευασίες και Ακροδέκτες του

Τρανζίστορ Επαφής

• Τα τρανζίστορ είναι διαθέσιμα σε ευρεία ποικιλία συσκευασιών για διάφορες εφαρμογές

• Τα τρανζίστορ ισχύος (power transistors) είναι τα τρανζίστορ με βίδα στήριξης ή ψήκτρες (ψήκτρα = απαγωγέας θερμότητας, heat sinks)

• Τα τρανζίστορ χαμηλής (low power) και μέσης ισχύος (medium power) είναι συνήθως συσκευασμένα σε μικρότερη μεταλλική ή πλαστική θήκη.

• Τα τρανζίστορ για εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων (high-frequency).

13

Μερικές κοινές συσκευασίες

τρανζίστορ της εταιρείας Motorola

Εικόνα 4:Μερικές κοινές συσκευασίες τρανζίστορ της εταιρείας Motorola. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

14

Τυπικές συσκευασίες τρανζίστορ της εταιρείας Motorola.

Εικόνα 5:Τυπικές συσκευασίες τρανζίστορ της εταιρείας Motorola. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

15

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-1 • Αναγνωρίστε τους ακροδέκτες των διπολικών τρανζίστορ

που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα..

Εικόνα 6 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-1. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

16

Η Πόλωση του Τρανζίστορ (Transistor Biasing) (1/2)

• Για να λειτουργήσει σωστά ένα τρανζίστορ πρέπει να πολωθούν σωστά οι δύο pn επαφές του με εξωτερικές dc τάσεις πόλωσης.

• Σε αμφότερες τις περιπτώσεις τρανζίστορς (npn και pnp), η επαφή βάσης-εκπομπού (BE) είναι ορθά πολωμένη και η επαφή βάσης-συλλέκτη (ΒC) είναι ανάστροφα πολωμένη.

17

Η Πόλωση του Τρανζίστορ (Transistor Biasing) (2/2)

• Η διάταξη αυτή ονομάζεται ορθή-ανάστροφη πόλωση (forward-reverse bias).

Εικόνα 7: Η Πόλωση του Τρανζίστορ Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

18

Η Λειτουργία του Τρανζίστορ στην Ορθή-Ανάστροφη Πόλωση (1/2)

Εικόνα 8: Η Λειτουργία του Τρανζίστορ στην Ορθή-Ανάστροφη Πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

19

Η Λειτουργία του Τρανζίστορ στην Ορθή-Ανάστροφη Πόλωση (2/2)

• Στον ισχυρά ντοπαρισμένο εκπομπό (περιοχή n) αφθονούν τα ηλεκτρόνια τα οποία μέσω της ορθά πολωμένης επαφής BE διαχέονται εύκολα στη βάση (περιοχή p).

• Επειδή η βάση είναι ελαφρά ντοπαρισμένη (έχει λίγες οπές) και πολύ στενή, ένα μικρό μόνον ποσοστό αυτών των ηλεκτρονίων από τον εκπομπό μπορούν να συνδεθούν με οπές στη βάση. Αυτό το μικρό ποσοστό ηλεκτρονίων σχηματίζει το μικρό ρεύμα της βάσης.

• Το μεγαλύτερο ποσοστό των ηλεκτρονίων στη βάση διαχέονται προς το συλλέκτη, λόγω της ανάστροφης πόλωσης της επαφής BC και της έλξης από το θετικό συλλέκτη. Έτσι, Σχηματίζοται το ισχυρό ρεύμα ηλεκτρονίων του συλλέκτη.

20

Τα Ρεύματα του Τρανζίστορ (Transistor Currents)

• Το ρεύμα του εκπομπού ισούται με το άθροισμα των ρευμάτων του συλλέκτη και της βάσης.

IE = IC + IB

Εικόνα 9: Τα Ρεύματα του Τρανζίστορ. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

21

Η Παράμετρος βDC του Τρανζίστορ

• Αν δούμε τη βάση σαν την είσοδο και το συλλέκτη σαν την έξοδο του τρανζίστορ, η παράμετρος βDC αντιπροσωπεύει την ενίσχυση του ρεύματος στο τρανζίστορ.

• Τυπικά το βDC έχει τιμή μεταξύ 20 και 200.

22

Οι Τάσεις του Τρανζίστορ (1/2)

• Οι τρεις dc τάσεις πόλωσης του τρανζίστορ είναι: η τάση εκπομπού (VΕ), η τάση συλλέκτη (VC) και η τάση βάσης (VΒ).

Εικόνα 10: Οι Τάσεις του Τρανζίστορ. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

23

Οι Τάσεις του Τρανζίστορ (2/2)

• Η τάση του συλλέκτη ισούται με την dc τάση πόλωσης VCC μείον την πτώση τάσης στην RC .

VC = VCC - ICRC

• Η τάση της βάσης ισούται με την τάση εκπομπού συν το φραγμό δυναμικού (VBE) της επαφής ΒΕ (0.7 V για το πυρίτιο) .

VΒ = VΕ + VBE

24

Παραδείγματα

• ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-2.

Ποια είναι η ακριβής τιμή του IC για IΕ = 5.34 mA και IΒ = 475 μΑ;

• Λύση.

IE = IC + IB IC = IE - IB = 5.34 mA – 0.475 mA = 4.87 mA

• ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-3.

Ένα τρανζίστορ έχει IC = 25 mA και IΒ = 200 μΑ. Πόσο είναι το βDC;

• Λύση

βDC = IC / IB = (25 mA)/(0.2 mA) = 125

25

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-4 (1/3)

• Υπολογίστε τα IB, IC , IE , VB και VC στο παρακάτω κύκλωμα τρανζίστορ, όπου το βDC είναι 48.

Εικόνα 11: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-4 . Πηγή: Συγγραφέας.

26


Λύση.

• Εφ’ όσον ο εκπομπός είναι γειωμένος, VE = 0, οπότε, VB = 0.7 V.

• Η πτώση τάσης στην RB είναι VBΒ – VB.

• Έτσι, το IB υπολογίζεται από το νόμο του Ohm.

27


• Τώρα μπορούμε να βρούμε τα ΙC, ΙE και VC.

• IC = βDCIB = 48(0.23 mΑ) = 11.0 mA

• IE = IC + IB = 11.0 mA + 0.23 mΑ = 11.23 mA

• VC = VCC - ICRC = 20 V – (11.0 mA)·(1.0 kΩ) = 9.0 V

28

Χαρακτηριστικές Καμπύλες του Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής (1/2)

• Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V της επαφής βάσης-εκπομπού είναι η χαρακτηριστική καμπύλη μιας συνηθισμένης διόδου.

Εικόνα 12: Χαρακτηριστικές Καμπύλες του Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής. Πηγή: Συγγραφέας.

29

Χαρακτηριστικές Καμπύλες του Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής (2/2)

• Αυτό σημαίνει ότι, εάν ελέγχετε ένα τρανζίστορ για βλάβη, κοιτάτε για 0.7 V στην επαφή βάσης-εκπομπού. Αν η τάση VBE είναι μηδέν, το τρανζίστορ δεν άγει. Αν είναι πολύ μεγαλύτερη από 0.7 V, πιθανότατα το τρανζίστορ έχει ανοικτή (καμένη) επαφή βάσης-εκπομπού.

30

Χαρακτηριστική Καμπύλη Συλλέκτη (1/2)

• Η χαρακτηριστική καμπύλη του συλλέκτη είναι η καμπύλη του ρεύματος συλλέκτη IC ως προς την τάση VCE συλλέκτη-εκπομπού.

• Εικόνα 13: Χαρακτηριστική Καμπύλη Συλλέκτη . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

31

Χαρακτηριστική Καμπύλη Συλλέκτη (2/2)

• Αν η τάση VCC = 0, τότε IC = 0 και VCE = 0 (Σημείο Α)

• Καθώς η VCC αυξάνει, αυξάνεται η τάση VCE άρα και το ρεύμα ΙC (Τμήμα ΑΒ).

• Όταν η VCE 0.7 V, η επαφή βάσης-συλλέκτη γίνεται ανάστροφα πολωμένη και το ΙC παίρνει τη μέγιστη τιμή του που προσδιορίζεται από τη σχέση ΙC = βDCΙΒ (Σημείο Β).

• Πάνω από τα 0.7 V, πρακτικά το ρεύμα IC παραμένει σταθερό (Τμήμα ΒC). Αυτή είναι η κανονική περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ.

32

Ομάδα Χαρακτηριστικών Καμπυλών Συλλέκτη

• Οι χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη είναι μια ομάδα καμπυλών που δείχνουν πως μεταβάλλεται το ρεύμα στο συλλέκτη IC με την τάση VCE για διάφορες τιμές του IB.

• Θέτοντας το IB σε διάφορες σταθερές τιμές, παίρνουμε ένα σμήνος καμπυλών του IC ως προς VCE, τις χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη.

Εικόνα 14:Ομάδα Χαρακτηριστικών Καμπυλών Συλλέκτη Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

33


• Σχεδιάστε την οικογένεια των χαρακτηριστικών καμπυλών συλλέκτη για το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος για τιμές του IB από 5 μΑ έως 25 μΑ με βήμα 5 μΑ.

Εικόνα 15: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-5 . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

34

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-5 (2/2) Λύση.

• Χρησιμοποιώντας τη σχέση ΙC = DC·IB, φτιάχνουμε τον πίνακα τιμών (IB, ΙC) και απ’ αυτόν σχεδιάζουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες του συλλέκτη.


35

Αποκοπή (Cutoff)

• Όταν IB = 0, το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή.

• Στην κατάσταση αποκοπής, το ρεύμα του συλλέκτη είναι σχεδόν μηδενικό. Στην κατάσταση αποκοπής, οι επαφές βάσης-εκπομπού και βάσης-συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένες.

• Εάν ελέγχετε για βλάβη ένα τρανζίστορ που βρίσκεται σε αποκοπή, μπορείτε να υποθέσετε ότι το ρεύμα συλλέκτη είναι μηδέν, συνεπώς δεν υπάρχει πτώση τάσης στην αντίσταση του συλλέκτη RC. Σαν αποτέλεσμα, η τάση συλλέκτη-εκπομπού VCE

θα είναι σχεδόν ίση με την τάση τροφοδοσίας VCC.

Συνθήκες αποκοπής

IB(αποκ) = 0 και VCE(αποκ) VCC

36

Κορεσμός (Saturation) (1/2)

•Η τάση συλλέκτη-εκπομπού VCE είναι VCE = VCC ICRC .

•Όταν το ρεύμα του συλλέκτη IC γίνει αρκετά μεγάλο, τότε πτώση τάσης ICRC γίνεται ίση με την τάση της πηγής VCC, οπότε VCE 0. Η κατάσταση αυτή του τρανζίστορ ονομάζεται κορεσμός.

37

Κορεσμός (Saturation) (2/2)

38


Για το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος,

• πόση είναι η τάση VCE όταν VIN = 0 V;

• Ποια είναι η ελάχιστη τιμή του IB που απαιτείται για να φέρει αυτό το τρανζίστορ στον κορεσμό αν η παράμετρος βDC είναι 200;

• Αν Vin = 5 V, ποια είναι η μέγιστη τιμή της RB για κορεσμό;

Εικόνα 17: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-6. Πηγή: Συγγραφέας.

39


• Τη μέγιστη τιμή της RB για να έχουμε κορεσμό είναι εκείνη που μας δίνει το ελάχιστο ρεύμα κορεσμού, IB(min) και υπολογίζεται από το νόμο του Ohm.

Εικόνα 17: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-6. Πηγή: Συγγραφέας.

40


• Στον κορεσμό, η σχέση IC = DCIB δεν ισχύει πλέον.

• Για τον υπολογισμό του ελάχιστου ρεύματος βάσης για να έχουμε κορεσμό, έχουμε, από τις συνθήκες κορεσμού.

41

DC Γραμμή Φορτίου Τρανζίστορ (DC Load Line) (1/2)

• DC γραμμή φορτίου ονομάζεται μια ευθεία γραμμή πάνω στις καμπύλες συλλέκτη που ενώνει τα σημεία αποκοπής (VCE(αποκ) = VCC) και κορεσμού (IC(κορ) = VCC/RC).

Εικόνα 18: DC Γραμμή Φορτίου Τρανζίστορ . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

42

DC Γραμμή Φορτίου Τρανζίστορ (DC Load Line) (2/2)

• Το τρανζίστορ λειτουργεί πάντα πάνω στη γραμμή φόρτου. Για κάθε τιμή του ρεύματος IB της βάσης, το ρεύμα συλλέκτη IC δίνεται από το σημείο τομής της αντίστοιχης χαρακτηριστικής καμπύλης και της γραμμής φορτίου.

43

Σημείο Q (Q-Point) (1/2)

• Το σημείο στο οποίο η χαρακτηριστική καμπύλη που αντιστοιχεί στην πραγματική τιμή του ρεύματος βάσης ΙΒ τέμνει τη γραμμή φορτίου ονομάζεται σημείο ηρεμίας (quiescent point) ή σημείο Q (Q-point) του κυκλώματος.

Εικόνα 19: Σημείο Q (Q-Point) . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

44

Σημείο Q (Q-Point) (2/2)

• Οι συντεταγμένες του σημείου Q είναι οι τιμές του ρεύματος συλλέκτη, IC και της τάσης συλλέκτη-βάσης, VCE, κατά τη λειτουργία του τρανζίστορ.

45

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-7 (1/3) • Για το τρανζίστορ του παρακάτω σχήματος, σχεδιάστε την DC γραμμή

φορτίου και βρείτε το σημείο Q.

Λύση.

• Η DC γραμμή φορτίου ορίζεται από τα σημεία αποκοπής

• VCE(αποκ) = VCC = 12 V

• και κορεσμού

• IC(κορ) = VCC/RC = (12 V)/(2 kΩ) = 6 mA

Εικόνα 20: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-7 . Πηγή: Συγγραφέας.

46


47


• Το ρεύμα συλλέκτη, επομένως, είναι IC = DC·IB = 200·(11.3 A) = 2.3 mA, οπότε η χαράσσουμε τη χαρακτηριστική καμπύλη όπως στο σχήμα παραπάνω.

• Από το σημείο τομής βρίσκουμε το σημείο Q του τρανζίστορ από το οποίο βλέπουμε ότι το τρανζίστορ λειτουργεί με ρεύμα ΙC περίπου 2.3 A και τάση VCE περίπου 7 V.

48

Ερωτήσεις επανάληψης (1/9)

• Ονομάστε τους τρεις ακροδέκτες του τρανζίστορ.

ΑΠ.: Εκπομπός, βάση και συλλέκτης

• Ορίστε την ορθή-ανάστροφη πόλωση.

AΠ: Επαφή εκπομπού-βάσης ορθά πολωμένη, επαφή συλλέκτη-βάσης ανάστροφα πολωμένη.

49


• Τι είναι το βDC; AΠ: Είναι ο λόγος του ρεύματος στον συλλέκτη προς το ρεύμα βάσης,

βDC = ΙC/IB

• Αν το IB είναι 10 μΑ και το βDC είναι 100, ποίο είναι το ρεύμα συλλέκτη;

AΠ: ΙC = βDC IB = 100(10 μΑ) = 1 mA

50

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (1/12) • Βρείτε τα VΕ και ΙC στην εικόνα παρακάτω.

Εικόνα 21: ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT). Πηγή: Συγγραφέας.

51

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (2/12) • Προσδιορίστε τις τάσεις σε σχέση με τη γη των

ακροδεκτών κάθε ενός τρανζίστορ στα κυκλώματα της παρακάτω εικόνας. Επίσης προσδιορίστε τις VCE, VBE και VBC, αν βDC = 25.


52

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (3/12)

Λύση.

• VB = VBB = 10 V

• VE = VB – 0.7 V = 10 V – 0.7 V = 9.3 V

• VC = VCC = 20 V

• VCE = VC – VE = 20 V – 9.3 V = 10.7 V

• VBE = 0.7 V

• VBC = VB – VC = 10 V – 20 V = – 10 V

53



54

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (5/12) • VE = 0 V (γειωμένος εκπομπός).

• VB = VΕ + VBE = 0 V + 0.7 V = 0.7 V.

• VC = VCC – IC·RC. Για να βρούμε την VC, πρέπει να υπολογίσουμε το ρεύμα συλλέκτη IC που είναι IC = βDC· IB .

• Το ρεύμα βάσης υπολογίζεται από το νόμο του Ohm,

• IB = (VBΒ – VB)/ RΒ = (4 V – 0.7 V)/ 4.7 kΩ = 0.7 mA, άρα Ic=17.5 mA.

• οπότε VC = VCC – IC·RC = 24 V – (17.5 mA)(430 Ω) = 16.5 V.

• Επίσης, VCE = 16.5 V – 0 V = 16.5 V .

• VBE = 0.7 V.

• VBC = 0.7 V – 16.5 V = – 15.8 V.

55

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (6/12) • Βρείτε τα ΙB, ΙC και VC για το κύκλωμα τρανζίστορ της

παρακάτω εικόνας. Υποθέστε βDC = 75.

Εικόνα 24: ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) . Πηγή: Συγγραφέας.

56

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (7/12) • Απαραίτητη για τον κορεσμό; Ποια ελάχιστη τιμή

του VIN είναι:


57


58

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) (9/12) • Προσδιορίστε την τιμή της RB που απαιτείται για να

έχουμε κορεσμό στο τρανζίστορ του παρακάτω σχήματος, αν VIN = 5 V. Για ποια τιμή VIN έχουμε αποκοπή;

Εικόνα 26: ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT) . Πηγή: Συγγραφέας.

59

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό

Τρανζίστορ Επαφής (10/12)

60

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό

Τρανζίστορ Επαφής (11/12)

• Η τάση στα άκρα της RB.

• Επομένως, η τιμή της RB που χρειάζεται υπολογίζεται από το νόμο του Ohm.

• Για αποκοπή, η τάση εισόδου του τρανζίστορ πρέπει να είναι μηδενική, VIN = 0 V.


61

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (12/12)

• Χαράξτε την DC γραμμή φορτίου για το κύκλωμα τρανζίστορ της παρακάτω εικόνας.

• Βρείτε τα IB, IC και VC.

Εικόνα 28: ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Διπολικό Τρανζίστορ Επαφής (BJT).

Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

62

Πόλωση Τρανζίστορ με Διαιρέτη Τάσης (1/2)

Εικόνα 29: Πόλωση Τρανζίστορ με Διαιρέτη Τάσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

63

Πόλωση Τρανζίστορ με Διαιρέτη Τάσης (2/2)

• Η πόλωση του τρανζίστορ με διαιρέτη τάσης είναι η πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος πόλωσης του τρανζίστορ. Χρησιμοποιεί μια μόνο απλή dc πηγή (VCC) για την ορθή-ανάστροφη πόλωση του τρανζίστορ.

• Η βάση πολώνεται από το διαιρέτη τάσης που σχηματίζουν οι αντιστάσεις R1 και R2.

64

Παράμετροι της Πόλωσης με Διαιρέτη Τάσης

• Η τάση της βάσης VB υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο του διαιρέτη τάσης (θεωρούμε ότι η αντίσταση εισόδου του τρανζίστορ είναι αμελητέα σε σχέση με την R2).

Εικόνα 30:Παράμετροι της Πόλωσης με Διαιρέτη Τάσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

65


• Υπολογίστε τα VB, VE, VC, VCE, IB, IEκαι IC στο παρακάτω κύκλωμα.

Εικόνα 31:ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-8. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

66


67


68


69

Λειτουργία του Τρανζίστορ σαν Διακόπτης (1/3)

• Τανζίστορ σε Αποκοπή – ανοικτός διακόπτης.

• Όταν η τάση της βάσης είναι 0 V, το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή. Σ’ αυτήν την κατάσταση δεν περνάει ρεύμα από τον εκπομπό προς τον συλλέκτη και είναι σαν να υπάρχει άνοιγμα μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού.

• Η τάση VC = VCC.

Εικόνα 32: Λειτουργία του Τρανζίστορ σαν Διακόπτης Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

70


• Τρανζίστορ σε Κορεσμό – κλειστός διακόπτης.

Εικόνα 33: Λειτουργία του Τρανζίστορ σαν Διακόπτης . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

71


• Όταν η τάση πόλωσης της βάσης (VBB) είναι αρκετά μεγάλη, ώστε το ρεύμα βάσης (ΙΒ) να είναι αρκετά μεγάλο, το τρανζίστορ είναι στον κορεσμό. Σ’ αυτήν την κατάσταση υπάρχει βραχυκύκλωμα μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού, δηλαδή το τρανζίστορ ισοδυναμεί με έναν κλειστό διακόπτη.

• Η τάση VC = VΕ = 0.

72


• Όταν ένα τρανζίστορ χρησιμοποιείται σαν διακόπτης, σε ποιες δύο καταστάσεις λειτουργεί;

ΑΠ.: Ένα τρανζίστορ διακόπτης λειτουργεί στον κορεσμό και στην αποκοπή.

• Πότε το ρεύμα συλλέκτη παίρνει τη μέγιστή του τιμή;

AΠ: Το ΙC είναι μέγιστο στον κορεσμό.

• Πότε το ρεύμα συλλέκτη είναι κατά προσέγγιση ίσο με μηδέν;

AΠ.: Το ΙC 0 στην αποκοπή.

73


• Αναφέρατε τις δύο συνθήκες που προκαλούν κορεσμό στο τρανζίστορ.

AΠ.: Κορεσμός του τρανζίστορ συμβαίνει όταν η επαφή βάσης-εκπομπού είναι πολωμένη ορθά και το ρεύμα βάσης είναι αρκετά υψηλό.

• Πότε η VCE ισούται με VCC;

AΠ.: VCE = VCC στην αποκοπή.

74

Ενισχυτές(amplifiers) • Οι γραμμικοί ενισχυτές παράγουν στην έξοδό τους ένα

ενισχυμένο πανομοιότυπο του σήματος εισόδου

• Η έννοια του ιδανικού γραμμικού ενισχυτή (ideal linear amplifier) σημαίνει ότι ο ενισχυτής δεν εισάγει καθόλου θόρυβο ή παραμόρφωση στο σήμα εισόδου που ενισχύει. Η τάση στην έξοδο αντιγράφει πιστά την τάση εισόδου.

• Για έναν ενισχυτή τάσης, η τάση εξόδου, Vout, είναι ανάλογη προς την τάση εισόδου, Vin και ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου ονομάζεται απολαβή τάσης (voltage gain, Av).

75

Συνδεσμολογία του Τρανζίστορ σαν Ενισχυτή Τάσης (1/2)

• Μια τυπική συνδεσμολογία ενισχυτή με πόλωση με διαιρέτη τάσης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Εικόνα 34: Συνδεσμολογία του Τρανζίστορ σαν Ενισχυτή Τάσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

76

Συνδεσμολογία του Τρανζίστορ σαν Ενισχυτή Τάσης (2/2)

• Vin είναι η τάση εισόδου, που πρόκειται να ενισχυθεί, και εφαρμόζεται στη βάση. Το σήμα εισόδου συνδέεται στη βάση μέσω πυκνωτή (Γιατί;)

• Vout είναι η ενισχυμένη τάση εξόδου του ενισχυτή και λαμβάνεται από τον ακροδέκτη του συλλέκτη του τρανζίστορ. Οι Vin and Vout είναι σε σχέση με τη γείωση.

77

Ενίσχυση - Αντιστροφή Τάσης (1/2)

Εικόνα 35: Ενίσχυση - Αντιστροφή Τάσης . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

78

Ενίσχυση - Αντιστροφή Τάσης (2/2)

• Η εναλλασσόμενη τάση Vin του σήματος εισόδου κάνει την τάση της βάσης, VB, να μεταβάλλεται με την ίδια συχνότητα πάνω-κάτω από την dc τιμή πόλωσης.

• Η μεταβολή της τάσης της βάσης προκαλεί μεταβολή στο ρεύμα της βάσης, το οποίο, με τη σειρά του, κάνει τα πολύ μεγαλύτερα ρεύματα εκπομπού και συλλέκτη να μεταβάλλονται γύρω από το σημείο-Q σε φάση με το ρεύμα της βάσης.

• Όμως, όταν το ρεύμα του συλλέκτη αυξάνει, η τάση του συλλέκτη, VC, μειώνεται και το αντίστροφο. Έτσι, η ημιτονοειδής τάση συλλέκτη μεταβάλλεται με διαφορά φάσης 180° σε σχέση με την τάση της βάσης, VB.

79

Απολαβή Τάσης σε έναν Τρανζίστορ (Voltage Gain)

• Η ενίσχυση ή απολαβή τάσης, Αv του τρανζίστορ είναι:

80


Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος, ένα σήμα των 50 mV rms εφαρμόζεται στη βάση.

• Υπολογίστε την τάση του σήματος εξόδου του ενισχυτή.

• Βρείτε τη dc τάση του συλλέκτη στην οποία επικάθεται το σήμα εξόδου. (γ) Σχεδιάστε την κυματομορφή εξόδου.

Εικόνα 36: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-9. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

81


82


83


• Το παρακάτω σχήμα δείχνει την κυματομορφή της τάσης εξόδου με το εναλλασσόμενο σήμα, πλάτους 707 mV, να επικάθεται στην dc τάση εξόδου των 9.3 V.

• Η τάση εξόδου κυμαίνεται μεταξύ 9.3 V – 0.707 V = 8.593 V ελάχιστης τιμή και 9.3 V + 0.707 V = 10.007 V μέγιστης τιμής.

Εικόνα 37: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3-9. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

84

Λειτουργία του Σήματος πάνω στη Γραμμή Φορτίου (1/2)

Εικόνα 38: Λειτουργία του Σήματος πάνω στη Γραμμή Φορτίου . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

85

Λειτουργία του Σήματος πάνω στη Γραμμή Φορτίου (2/2)

• Υποθέστε ότι το σημείο Q έχει τις τιμές: IΒ = 40 μΑ, IC = 4 mΑ και VCE = 8 V.

• Ας θεωρήσουμε ότι το σήμα εισόδου μεταβάλλει το ρεύμα βάσης, IΒ, μεταξύ μιας μέγιστης τιμής 50 μΑ και μιας ελάχιστης 30 μΑ, δηλαδή με πλάτος 10 μΑ p-p.

• Οι προκύπτουσες κυματομορφές του ρεύματος συλλέκτη, IC, και της τάσης VCE δίνονται από το διάγραμμα σαν οι προβολές του σημείου Q.

• Η λειτουργία είναι γραμμική όσο το πλάτος του ρεύματος Ib δεν φτάνει την αποκοπή στο κάτω άκρο της γραμμής φορτίου ή τον κορεσμό στο πάνω άκρο.

86


• Τι σημαίνει ο όρος ενίσχυση;

ΑΠ.: Ενίσχυση είναι η διαδικασία της αύξησης του πλάτους ενός ηλεκτρικού σήματος.

• Τι είναι το σημείο Q;

AΠ: Το σημείο Q είναι το σημείο της dc λειτουργίας του τρανζίστορ.

87


88

Εντοπισμός Βλαβών (Troubleshooting)

• Οι πιο συνηθισμένες βλάβες σε ένα κύκλωμα τρανζίστορ είναι:

• Καμένες (ανοικτές) αντιστάσεις βάσης ή συλλέκτη (RB ή RΕ = ),

• Ανοικτή (καμένη) ή βραχυκυκλωμένη πηγή πόλωσης της βάσης ή του συλλέκτη (VBB ή VCC = 0).

• Καμένες (ανοικτές) επαφές τρανζίστορ (RBΕ ή RΕC = ) και

• Κομμένες (ανοικτές) επαφές ή συνδέσεις πάνω στο τυπωμένο κύκλωμα (R = Ι = 0).

89

Ένας Βασικός Έλεγχος

Τεσσάρων Σημείων (1/2)

• Στην παρακάτω εικόνα, δείχνονται τα τέσσερα σημεία ελέγχου ενός κυκλώματος τρανζίστορ.

Εικόνα 39: Ένας Βασικός Έλεγχος Τεσσάρων Σημείων . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

90

Ένας Βασικός Έλεγχος

Τεσσάρων Σημείων (2/2)

• Σημείο 1: Πρέπει να δείχνει την τάση της πόλωσης της βάσης, VBB.

• Σημείο 2: Πρέπει να δείχνει την τάση της βάσης, VB.

• Σημείο 3: Πρέπει να δείχνει την τάση του συλλέκτη, VC.

• Σημείο 4: Πρέπει να δείχνει την τάση της πόλωσης του συλλέκτη, VCC.

91

Πίνακας Βλαβών και Συμπτωμάτων ενός Κυκλώματος Τρανζίστορ (1/2)

• (Με έντονα γράμματα σε γκρι φόντο φαίνονται οι περιπτώσεις που υπάρχει βλάβη).

• Ο όρος floating εννοεί ένα σημείο που ουσιαστικά δεν είναι σε επαφή ούτε με σταθερή τάση ούτε με τη γείωση. Παρατηρείται μια πολύ μικρή, λανθασμένη και κυμαινόμενη τάση.

92

Πίνακας Βλαβών & Συμπτωμάτων

Κυκλώματος Τρανζίστορ (2/2)

Εικόνα 40: Περιεκτικός Πίνακας των Βλαβών και των Αντίστοιχων Συμπτωμάτων ενός Κυκλώματος Τρανζίστορ. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

93


• Από τις μετρήσεις τάσης στο παρακάτω σχήμα, ποιο είναι το πιθανότερο πρόβλημα;


94


Λύση.

• Αφού η VC = VCC = 12 V, το τρανζίστορ είναι προφανώς σε αποκοπή.

• Η μέτρηση της τάσης VΒΒ (σημείο 1) φαίνεται κανονική και τη τάση στη βάση (σημείο 2) είναι εντάξει.

• Συνεπώς, η επαφή συλλέκτη – βάσης του τρανζίστορ πρέπει να είναι ανοικτή (καμένη). Το τρανζίστορ πρέπει να αντικατασταθεί .

95

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών (1/7)

• Ποιο είναι το πιθανότερο πρόβλημα, αν υπάρχει, σε κάθε ένα από τα παρακάτω κυκλώματα; Υποθέστε ότι βDC = 75.

Λύση.

• VCE = VCC, επομένως, το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή.

• Η VΒ είναι εντάξει, άρα η επαφή Β-C είναι ανοικτή.

Εικόνα 42: ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

96


• Η VC είναι floating και η VΒ είναι εντάξει. • Επομένως, είτε η πηγή VCC είναι ανοικτή είτε η αντίσταση

RC είναι ανοικτή. • Για να ελέγξουμε ποια από τις δύο βλάβες συμβαίνει

ελέγχουμε τον αρνητικό πόλο της πηγής VCC. Αν είναι –15 V, η βλάβη είναι στην RC.


97


98


• Η τάση VC = VCC, άρα το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή.

• Εφ’ όσον η τάση VΒ = VΒΒ, συμπεραίνουμε ότι η επαφή Β-Ε

ανοικτή.

Εικόνα 44: ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Εντοπισμός Βλαβών Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

99


• Ποια είναι η τιμή του βDC κάθε ενός τρανζίστορ του παρακάτω σχήματος;


100


101


102


• Ποια πρέπει να είναι η πρώτη μας ενέργεια, όταν υποπτευόμαστε ότι ένα τρανζίστορ πάνω σε μια τυπωμένη πλακέτα κυκλώματος είναι ελαττωματικό;

ΑΠ.: Πρώτα ελέγχουμε το τρανζίστορ πάνω στο κύκλωμα.

• Στο κύκλωμα πόλωσης τρανζίστορ παρακάτω, τι συμβαίνει αν η RB

είναι ανοικτή;

AΠ: Αν η RB είναι ανοικτή, το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή.

Εικόνα 46: Ερωτήσεις επανάληψης . Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

103


• Στο παραπάνω κύκλωμα, ποιες είναι οι τάσεις βάσης και συλλέκτη αν υπάρχει μια διακοπή (άνοιγμα) μεταξύ εκπομπού και γείωσης;

AΠ.: Η τάση βάσης είναι VBB και του συλλέκτη VCC .

• Σε έναν έλεγχο ενός καλού npn και ενός καλού pnp τρανζίστορ εκτός κυκλώματος, ποια θα έπρεπε να είναι η ένδειξη ενός ομόμετρου, όταν ο θετικός του ακροδέκτης ακουμπά τον εκπομπό και ο αρνητικός ακροδέκτης ακουμπά τη βάση;

Απ.: Πολύ μεγάλη (σχεδόν άπειρη) αντίσταση στην πρώτη περίπτωση και πολύ μικρή (σχεδόν μηδενική) αντίσταση στη δεύτερη περίπτωση.

104

Βιβλιογραφία

105

• Albert P. Malvino, «Βασική Ηλεκτρονική», 4η έκδ./2007, ΙSBN: 978-960-7219-12-0, Εκδ. ΤΖΙΟΛΑ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: 18549034.

• Thomas L. Floyd, «Ηλεκτρονικά Στοιχεία», 1η έκδ./2014, ΙSBN: 0-13-238351-9, ΕΚΔΟΤΙΚΟΣ ΟΜΙΛΟΣ ΙΩΝ

• Γ. Χαριτάντης, «Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά», 2006, ΙSBN: 978-960-91034-6-6, Εκδ. ΔΕΜΕΡΝΤΖΗΣ ΠΑΝΤΕΛΗΣ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: 2139.

• Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hal

Τέλος Ενότητας

Σημείωμα Αναφοράς

Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Γαύρος Κωνσταντίνος. «Ηλεκτρονικά Ι». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015.

Σημείωμα Αδειοδότησης

Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων».

[1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση:

• που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο.

• που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο.

• που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο.

Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

108

Διατήρηση Σημειωμάτων

Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει:

το Σημείωμα Αναφοράς.

το Σημείωμα Αδειοδότησης.

τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων.

το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει).

μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

109

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων

Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων:

Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες:

• Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall

110

Παρουσίαση του PowerPoint · 2015-09-18 · επαφής είναι ότι η βάση...

Documents

Transcript of Παρουσίαση του PowerPoint · 2015-09-18 · επαφής είναι ότι η βάση...