Cw02pdf.pdf

Ćwiczenie 2

TRANZYSTORY MOCY

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi tranzystorami i ich charakterystykami.

1. Wiadomości wstępne

Tranzystory są to trójelektrodowe przyrządy półprzewodnikowe o właściwościach wzmacnia-

jących. Stanowią one grupę elementów elektronicznych o regulowanym przepływie ładunków elek-

trycznych. Ze względu na zasadę działania tranzystory dzieli się na grupy:

- tranzystory bipolarne , w których przepływ prądu odbywa się na skutek ruchu nośników większo-

ściowych i nośników mniejszościowych.

- tranzystory unipolarne lub inaczej polowe, w których przepływ prądu powodują nośniki tylko jed-

nego rodzaju, natomiast napięcie sterujące powoduje zmianę rezystancji drogi ich przepływu.

- tranzystory jednozłączowe stosowane rzadko.

1.1. Tranzystory bipolarne

Tranzystory bipolarne powstają przez umieszczenie dwóch złącz p-n w jednej płytce pół-

przewodnika bardzo blisko siebie, aby występowało oddziaływanie jednego złącza na drugie. Wy-

stępują dwa rodzaje tranzystorów: tranzystory p-n-p i tranzystory n-p-n (Rys. 2.1).

Najstarsze tranzystory warstwowe zwane również stopowymi (od 1948 r.) były wykonywane

technologią stopową na bazie germanu. Obecnie najbardziej jest rozpowszechniona technologia epi-

taksjalno-planarna (Rys. 2.2) na bazie krzemu.

Każdy z obszarów tranzystora stanowi jedną z jego elektrod E oznacza emiter , B - bazę , C -

kolektor . Obecnie tranzystory bipolarne są produkowane głównie z krzemu (tranzystory krzemo-

we).

Efekt tranzystorowy można zaobserwować w strukturze p-n-p lub n-p-n dla której oba złącza

są monokrystaliczne, jeśli dodatkowo są spełnione warunki:

1. Jedno ze złączy winno być spolaryzowane w kierunku przewodzenia (dioda emiterowa), nato-

miast drugie w kierunku zaporowym (dioda kolektorowa).

2. Grubość obszaru bazy między obu złączami powinna być mała w porównaniu z długością drogi

dyfuzji nośników większościowych emitera wynoszącej zazwyczaj 0,01

10 5 razy większy niż prąd od strony bazy.

Rys. 2.1. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego:

a) p-n-p, b) n-p-n

0,1 mm .

3. Obszar emitera winien zawierać więcej nośników większościowych niż obszar bazy, aby prąd

płynący od strony emiterowej był 10 3

Rys. 2.2. Budowa tranzystora: a) metodą stopową, b) metodą epitaksjalno - planarną

Koncentracja domieszek emitera jest rzędu 10 18 cm -3 , dzięki czemu obszar ten stanowi dobre

źródło elektronów i ma mała rezystancję. Domieszkowanie bazy jest rzędu ~10 15 cm –3 . Kolektor

jest domieszkowany o rząd wielkości mniejszy niż bazy (~10 14 cm -3 ), natomiast obszar kolektora n+

jest domieszkowany podobnie jak emiter ( ~10 18 cm -3 ). Taki rozkład domieszek zapewnia dużą

sprawność emitera i dużą sprawność transportu ładunków przez bazę oraz mały opór szeregowy

kolektora.

Przez spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze emiterowe wstrzykiwane są z emitera

do bazy nośniki większościowe emitera, które poruszają się dyfuzyjnie w bazie w kierunku kolekto-

ra. Docierają one do kolektora przez spolaryzowane zaporowo złącze kolektorowe, którego pole ma

kierunek zgodny z polem elektrycznym bazy i wzmaga ruch wstrzykniętych z emitera nośników do

kolektora. Stosunek liczby nośników wpływających do kolektora do liczby nośników wstrzykiwa-

nych przez złącze emiter baza nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie

wspólnej bazy i oznaczamy jako

Rys. 2.3. Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora w układzie OE:

a) wejściowa I B = f(U BE ) , b) wyjściowe I C = f(U CE ) dla I B = const .

Na wykresie rodziny charakterystyk statycznych (Rys. 2.3b) występują trzy charakterystyczne

dla tranzystora obszary pracy. Są to:

- obszar nasycenia I,

- obszar aktywny II,

- obszar odcięcia III.

Tranzystor znajduje się w stanie nasycenia wówczas, gdy przez jego złącze emiter-baza prze-

pływa dostatecznie duży prąd (oba złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia).

Przyjmujemy, że spadek napięcia na złączu kolektor emiter jest bliski zeru. Rezystancja wyjściowa

tranzystora w nasyceniu jest bardzo mała (od ułamka oma do kilkuset omów).

Tranzystor znajduje się w stanie odcięcia , gdy jego złącze emiter-baza nie jest spolaryzowane

w kierunku przewodzenia przez zewnętrzne źródło prądu. Dopuszczalne napięcie U CE jakie może

być przyłożone do złącza kolektor-emiter, jest zależne od stanu w jakim znajduje się obwód bazy.

Stan obwodu bazy wpływa na wartość prądu zerowego, płynącego przez tranzystor w stanie odcię-

cia. Największy prąd zerowy płynie przez tranzystor z rozwartym obwodem bazy.

W stanie aktywnym złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze

kolektor-baza zaporowo. W obszarze aktywnym występują właściwości wzmacniające tranzystora.

Prąd kolektora I C niewiele zależy od napięcia U CE w dużym zakresie jego zmian. Rezystancja wyj-

ściowa ma dużą wartość (w tranzystorach małej mocy wynosi ona od 10 k

1 M

). Dopuszczal-

ne wartości prądu kolektora I C i napięcia kolektor-emiter U CE ograniczają czynniki:

- dopuszczalna moc P Cmax tracona w tranzystorze, wynikająca z dopuszczalnej temperatury złą-

cza, temperatury otoczenia i rezystancji cieplnej między złączem a otoczeniem;

- dopuszczalne wartości prądu kolektora I Cmax wynikające ze zmniejszania się współczynnika

wzmocnienia w zakresie dużych prądów i małych napięć, oraz dopuszczalne napięcie kolektor emi-

ter U CEmax wynikające ze zjawiska powielania lub przebicia lawinowego w złączu kolektorowym

(wynosi ono od kilku woltów do kilku kilowoltów).

Istnieją trzy podstawowe układy pracy tranzystora jako wzmacniacza: o wspólnej bazie (OB),

o wspólnym emiterze (OE) i o wspólnym kolektorze (OC), które przedstawiono na Rys. 2.4.

Rys. 2.4. Układy pracy tranzystora a) o wspólnej bazie OB, b) o wspólnym emiterze OE, c) o wspólnym kolektorze OC.

Układ o wspólnej bazie (Rys. 2.4a). Prądem wejściowym (sterującym) jest prąd emitera

a wyjściowym prąd kolektora.

I C =

I E + I Co

(2.1)

gdzie: I Co - prąd zerowy kolektora,

I E - współczynnik wzmocnienia prądowego, określa jaka część prądu emitera jest

przeniesiona do obwodu kolektora.

Współczynnik

I C /

jest nieco mniejszy od jedności (

= 0,95

0,999). Dla układu wspólnej ba-

〈 1) można uzyskać duże wzmocnienie mo-

cy, gdyż prąd z obwodu o małej rezystancji (złącze emiter-baza) jest prawie całkowicie przeniesio-

ny do obwodu o dużej rezystancji (złącze kolektor-baza).

Układ o wspólnym emiterze (Rys. 2.4b). Prądem wejściowym (sterującym) jest prąd bazy,

a wyjściowym prąd kolektora.

I E = I C + I B

(2.2)

Uwzględniając (2.2) z zależności (2.1) otrzymamy:

(2.3)

lub

(2.4)

gdzie:

β E

α - współczynnik wzmocnienia prądowego,

- prąd zerowy kolektora w układzie OE

jest bliski jedności, zatem h 21E 〉〉 1 . Współczynnik ten wynosi od 20 do 1000. Ten

układ pracy tranzystora posiada duże wzmocnienie prądowe, duże wzmocnienie mocy, stąd jest on

najczęściej stosowany.

Układ o wspólnym kolektorze (Rys. 2.4 c). Prądem wejściowym jest prąd bazy, a wyjściowym

prąd emitera.

zy tranzystora mimo braku wzmocnienia prądowego (

Współczynnik

(

)

(2.5)

W układzie tym rezystancja wejściowa jest znacznie większa od rezystancji wyjściowej.

W tabeli 2.1 podano zestawienie najważniejszych parametrów układów OE, OB i OC dla

tranzystorów małych mocy najczęściej używanych.

Tabela 2.1.

Parametry

Układ

Rezystancja wejściowa

średnia

50 ÷ 5000 Ω

mała

30 ÷ 1500 Ω

duża

0,1 ÷2 MΩ

Rezystancja wyjściowa

duża

10 ÷ 500 kΩ

bardzo duża

0,5 ÷ 2 MΩ

Mała

50 ÷ 500 Ω

Wzmocnienie prądowe

duże

10 ÷ 1000

mniejsze od 1

duże

(takie jak dla układu OE )

Wzmocnienie napięciowe

duże

(kilkaset)

duże

(takie jak dla układu OE )

mniejsze od 1

Wzmocnienie mocy

bardzo duże

(kilka tysięcy)

duże

(kilkaset)

małe

(kilkadziesiąt)

Częstotliwość graniczna

mała

10 kHz÷500 MHz

duża

mała

(taka jak układu OE )

Faza napięcia wyjściowego

w stosunku do napięcia

wejściowego

odwrócona

zgodna

W układach wzmacniających tranzystor pracujący w dowolnej konfiguracji można traktować

jako czwórnik (Rys. 2.5) zasilany napięciem U 1 i prądem I 1 , mający na wyjściu napięcie U 2 i prąd I 2

zależne od przyłączonego obciążenia. Ze względów praktycznych najbardziej przydatne są dwa ty-

py czwórników: czwórnik o parametrach mieszanych lub typu h dla niskich częstotliwości, oraz

czwórnik o parametrach admitancyjnych typu y dla wysokich częstotliwości.

Rys. 2.5. Hybrydowy schemat zastępczy tranzystora

Równania opisujące czwórnik o parametrach typu h mają postać:

(2.6)

(2.7)

Parametry h określające parametry tranzystora są definiowane następująco:

- impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu,

- współczynnik napięciowego sprzężenia zwrotne go przy otwartym wejściu,

= U

- współczynnik wzmocnienia prądowego przy

zwartym wyjściu,

- admitancja wyjściowa przy otwartym wyjściu.

Zwarte wyjście oznacza zwarcie dla składowej zmiennej a nie stałej.

Tego rodzaju układ parametrów jest szczególnie przydatny do analizowania czwórników o

małej impedancji wejściowej, pobudzanych ze źródła prądowego o dużej impedancji wyjściowej,

zwłaszcza w przypadku gdy czwórnik o dużej impedancji wyjściowej jest obciążony prądowo małą

impedancją obciążenia.

Do parametrów statycznych tranzystora bipolarnego zaliczamy:

U CB max -maksymalne dopuszczalne napięcie stałe kolektor-baza

U EB max -maksymalne dopuszczalne napięcie stałe emiter-baza

U CE max -maksymalne dopuszczalne napięcie stałe kolektor-emiter

U CE sat -napięcie nasycenia tranzystora

I CB0 -zerowy prąd kolektora

I EB0 -zerowy prąd emitera

I C max -maksymalny dopuszczalny prąd kolektora

I B max -maksymalny dopuszczalny prąd bazy

P tot -maksymalna moc tracona w strukturze tranzystora.

Podstawowe parametry wybranych tranzystorów bipolarnych mocy przedstawiono w tabeli 2.2.

Tabela 2.2.

Podstawowe parametry wybranych tranzystorów bipolarnych

1.2. Tranzystory unipolarne

Tranzystory polowe mocy wytwarzane są od 1976 roku kiedy to firma Siliconix opracowała

tranzystor o specyficznej geometrii złącza z charakterystycznym wyżłobieniem w kształcie litery V.

Został on nazwany tranzystorem V-MOS. Tranzystory polowe mają cenne właściwości, zwłaszcza

w zakresie parametrów impulsowych. Sprawiło to, że są one coraz powszechniej stosowane.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: