ELN12

Vysvetlite tranzistorový jav na vybranom type zapojenia tranzistora. Vysvetlite princíp činnosti FET tranzistora s indukovaným kanálom, nakreslite jeho výstupné charakteristiky. Popíšte správanie a využitie tyristorov a triakov.¨

OTVORENÝ TRANZISTOR

Pripojme teraz medzi bázu a emitor ďalší zdroj jednosmerného napätia UBE (obr. 4.27).

                      

Obr. 4.27 Princíp činnosti tranzistora

Pretože je emitorový prechod zapojený v priepustnom smere, potom účinkom napätia UBE začnú voľné elektróny prúdiť z emitora do bázy.

V skutočnosti je vrstva bázy veľmi tenká (približne 0,01 mm) a tak väčšina elektrónov (asi 97 %) prenikne zotrvačnosťou až ku kolektorovému prechodu. Kolektorový prechod je síce zapojený v nepriepustnom smere, ale len pre diery a nie pre elektróny, ktoré sú naopak kladným pólom kolektora priťahované a odtiaľ prúdia až ku kladnému pólu zdroja napätia

UCE.

Záver: Voľné elektróny pretekajú tranzistorom z emitora do kolektora a obvodom preteká kolektorový prúd IC. Menšia časť prúdu (asi 3 %) preteká taktiež z emitora cez bázu ku kladnému pólu zdroja napätia UBE a obvodom preteká prúd bázy IB.

Platí preto:

PRÚD TRANZISTOROM

IE = IB + IC ale približne možno písať

Ic » I E

Ukážeme si činnosť tranzistora na príklade dvoch jeho stavov (obr. 4.28).

ZOSILŇOVACÍ ÚČINOK TRANZISTORA

V oboch prípadoch je napájacie napätie UCE = 5 V.

a) tranzistor zatvorený

Ak je medzi bázou a emitorom napätie UBE = 0,1 V, potom obvodom báza – emitor preteká prúd 0,05 mA a obvodom kolektor – emitor prúd IC = 1,5 mA (tranzistor je takmer zatvorený)

b) tranzistor otvorený

Ak zvýšime napätie medzi bázou a emitorom na UBE = 0,2 V, potom obvodom báza –emitor bude pretekať prúd IB = 0,15 mA a obvodom kolektor – emitor prúd IC = 4,0 mA. Z oboch príkladov je zrejmé, že zmena prúdu o 0,1 mA v obvode báza – emitor vyvolalazmenu prúdu o 2,5 mA v obvode kolektor – emitor.

TRANZISTOR = ZOSILŇOVAČ

Jednoducho povedané – tranzistor pracuje ako zosilňovač a v tom je jeho základný význam. V našom prípade je tzv. prúdové zosilnenie tranzistora:

DRUHY TRANZISTOROV

Rozlišujeme dva druhy bipolárnych tranzistorov, ich princíp je rovnaký:

NPN/PNP

- tranzistory NPN,

- tranzistory PNP.

Líšia sa predovšetkým usporiadaním vodivostných oblastí a zapojením napájacieho napätia (obr. 4.29).

Tranzistor NPN musí mať na kolektore vždy kladné napätie, tranzistor PNP vždy záporné napätie. Ak nie je táto podmienka dodržaná, tranzistor sa zničí. Malá odlišnosť je v schématických (grafických) značkách: tranzistor NPN má emitorovú šipku smerom von zo značky, pričom PNP dovnútra.

Vlastnosti tranzistorov NPN a PNP sú rovnaké. Dvojicu rovnakých tranzistorov, ktorémajú prakticky zhodnú charakteristiku i rovnaké zosilnenie, ale jeden je typ NPN a druhýPNP, nazývame komplementárne (doplnkové) tranzistory.

ZÁKLADNÉ ZAPOJENIE TRANZISTORA

Z obr. 4.30 je zrejmé, že tranzistor má vstupný a výstupný obvod napájaný jednosmerným napätím. Bez tohto jednosmerného napätia nemôže tranzistor pracovať. Časť emitorového obvodu je spoločná so vstupným a výstupným obvodom.

Uvedené zapojenie sa nazýva zapojenie so spoločným emitorom – alebo zapojenie typu SE.

Poznámka: Z dôvodu názorného a jednoduchého výkladu činnosti tranzistora je v obrázkoch 4.27 až 4.30 nakreslený virtuálny zdroj napätia UBE pre napájanie bázy tranzistora. Zapojenia sú teoreticky správne, ale pri realizácii týchto zapojení by došlo

vplyvom malého vstupného odporu tranzistora k jeho zničeniu. Bolo by preto potrebné zaradiť do série so zdrojom UBE predradný odpor o veľkosti rádovo stovky k_. V skutočných obvodoch sa všetky elektródy tranzistorov napájajú len z jedného napájacieho zdroja pomocou odporov tak, ako je už správne znázornené na obr. 4.32 a ďalších nasledujúcich obrázkoch

RÔZNE ZAPOJENIA TRANZISTOROV

Ďalšie možné základné zapojenia tranzistorových zosilňovačov sú zapojenia so spoločnou bázou SB a so spoločným kolektorom SC (obr. 4.31).

Obr. 4.31 Základné zapojenia tranzistorov

Na obr. 4.31 vpravo je nakreslené i praktické zapojenie tranzistora so spoločným kolektorom. Že sa jedná o zapojenie SC plynie zo skutočnosti, že vstup je pripojený na bázu, výstup je z emitora a tretia, spoločná elektróda musí byť kolektor. Jedná sa o tzv. emitorový sledovač – viď kapitolu 7 Zosilňovače.

                    

Vysvetlite princíp činnosti FET tranzistora s indukovaným kanálom, nakreslite jeho výstupné charakteristiky.

UNIPOLÁRNE TRANZISTORY

Sú to moderné tranzistory, najviac používané v integrovaných obvodoch. Unipolárny znamená, že na vedení prúdu sa podieľa len jeden druh nosičov prúdu a to buď elektróny alebo diery.

Na riadenie veľkosti prúdu medzi emitorom E (používa sa tiež S – source) a kolektorom C (tiež D – drain) sa využíva elektrostatické pole, ktorým sa mení vodivosť tzv. kanálu medzi E a C.

Z dvoch hlavných druhov týchto tranzistorov J – FET a MOS – FET sa práve v integrovaných obvodoch využíva MOS – FET (z angl. Metal Oxide Semiconductor – Field Effect Transistor = kov- oxid – polovodič – polom riadený tranzistor).

Princíp tranzistora MOS – FET je znázornený na obr. 4.35.

Obr. 4.35 Tranzistor MOS – FET

Základom je polovodičová kremíková doštička v vodivosťou typu P (substrát), v nej sú nosičom elektrického prúdu diery. V kremíkovej doštičke sú vytvorené difúziou (vnikaním) donorov do kryštalickej mriežky kremíka dve oblasti s vodivosťou typu N (emitor a kolektor), v nich sú nosičom elektrického prúdu elektróny.

Rozdiel od bežného tranzistora NPN je v tom, že ovládací prúdový obvod tvorí kovový ovládací prvok G ( z angl. Gate) nazývaný hradlo, od polovodičového substrátu oddelený izolujúcim oxidom kremičitým SiO2.

Pripojme najprv medzi kolektor a emitor napätie, na hradle G nie je žiadne napätie (UG= 0 V na obr. 4.36). Diery sú priťahované k emitoru, od kolektora sú odpudzované, takže prúd obvodom neprechádza.

Obr. 4.36 Činnosť tranzistora MOS – FET – prúd nepreteká

Pripojme teraz kladné napätie na hradlo G (UG > 0 na obr. 4.37).

Kladné elektrické pole hradla začne odpudzovať diery pod kovovou elektródou a medzi emitorom a kolektorom sa vytvorí vodivý kanál, ktorým môžu prechádzať elektróny a tak je priechod elektrického prúdu medzi emitorom a kolektorom otvorený. Čím väčšie bude napätie na hradle G, tým bude kanál širší a tým bude väčší prúd emitor- kolektor.

Obr. 4.37 Činnosť tranzistora MOS – FET – prúd preteká

Z predchádzajúceho výkladu je zrejmé, že ovládanie kolektorového prúdu je

uskutočňované len napätím, bez prúdu, teda prakticky s nulovým výkonom vstupnéhoriadiaceho obvodu. To je veľkou výhodou tranzistora MOS – FET, taktiež z toho plynieveľká hodnota vstupného odporu.

Ďalšou výhodou je minimálny rozmer, umožňujúci hustotu až 1000 tranzistorov na 1mm².

TYRISTOR

Tyristor, alebo riadený usmerňovač je štvorvrstvový polovodičový prvok s tromaprechodmi PN, NP, PN.

Pretože tyristor má riadiacu elektródu, je nazývaný triódovým tyristorom.

Elektródy tyristora sú (obr. 4.39):

A – anóda,

K – katóda,

G – riadiaca elektróda (z angl. gate)

Obr. 4.39 Štruktúra a grafická značka tyristora

Ale teraz pozor – ak pripojíme na tzv. riadiacu elektródu G kladné napätie, stane sa prechod NP vodivý a tyristorom bude pretekať prúd a čo je najmä dôležité, bude ním pretekať vtedy, ak napätie na riadiacej elektróde G prerušíme. To znamená, že pre zopnutie tyristora stačí priviesť na riadiacu elektródu G len časovo krátky impulz. Vysvetlenie je zrejmé z nasledujúceho obrázku (obr. 4.40), kde je odvodená náhradná schéma tyristora pomyselným rozdelením tyristora rezom x – x.

Privedením kladného impulzu na G sa tranzistor VT2 otvorí. Jeho kolektorový prúd budí bázu VT1, ktorý sa tým otvorí a tak zaistí trvalé nabudenie VT2. Riadiaca elektróda G prestáva mať vplyv na dej tyristora.

Tyristor je zapnutý a príslušná časť VA charakteristiky je podobná charakteristike diódy v priamom smere. (obr. 4.41).

V zopnutom stave tyristor zotrváva, dokiaľ neklesne priepustný prúd pod hodnotu tzv. vratného prúdu IH a to prerušením hlavného obvodu A – K alebo komutáciou anódového napätia do spätného smeru. Potom nastane vypnutie tyristora a prechod z priepustného stavu do blokovacieho smeru.

TRIAK

Triak je obojsmerný triódový tyristor s päťvrstvovou štruktúrou PNPNP a so štyrmi prechodmi.

Triak vznikne vnútorným usporiadaním tzv. antiparalelného zapojenia dvoch tyristorov – viď obr. 4.42.

       

Dva antiparalelne zapojené tyristory, ktoré môžu preto prepúšťať prúd v oboch smeroch nahradzujú triak. Priepustnosť triaku v oboch smeroch vyjadruje VA charakteristika (obr. 4.43).