Preuzmite skripta elektronika 1 i više Rezime u PDF od Računarstvo i informatika samo na Docsity!
Електроника 1
1. Увод
Американци Бретјен и Бердин су пронашли биполарни транзистор 1948. године. Американац Шокли је 1952. године пронашао транзисторе са ефектом поља ( FET- ове), али им је производња практично почела око 1963. године. За откриће транзистора су 1956. године добили Нобелову награду. Транзистори са изолованим гејтом ( MOSFET- ови) направљени су око 1960. године. Тиристори су пронађени око 1957. године.
WilliamShockley JohnBardeen WalterBrattain
Кристална структура и проводност полупроводника
Атом је састављен од језгра и омотача. У језгру се налазе протони (позитивно наелектрисани) и неутрони (неутрални, без наелектриса^ 0 01 F ња). У омотачу се налазе електрони (негативно наелектрисани). Број протона и електрона у атому је исти и атом је електрично неутралан.
Електрони у омотачу не круже на истом растојању од језгра, већ се распоређују по нивоима и поднивоима. У првом нивоу се налазе максимално 2 електрона; у другом нивоу максимално 8 (два поднивоа); у трећем максимално 18 (три поднивоа) итд. Последњи подниво је ва 0 01 Fлентни подниво или валентна љуска. Ако се у валентној љусци налази пуно електрона, међуелектронске силе су велике и потребна је велика енергија да би електрони напустили атом; ови елементи су изолатори. Ако се у валентној љусци налази мало електрона, један или два, и ус^ 0 01 F лед мале енергије ови електрони могу да напусте атом и да учествују у провођењу; ови елементи су проводници. Полупровод ници у валентној љусци имају 4 електрона (под одређеним околностима могу бити проводници). Најпознатији полупровод ни^ 0 01 F ци су силицијум (сл. 1.1) (ознака Si , редни број 14) и германијум (ознака Ge , редни број 32).
Атоми полупроводника чине кристалну решетку. На слици1.2 представљена је кристалне структура силицијума. Атоми су приказани у једној равни, мада су стварно распоређени просторно. На слици нису приказани електрони из нижих нивоа ни одговарајући протони (2 из првог и 8 из другог). Ковалентни електрони круже око два језгра (сл. 1.3), а ковалентна веза је на сл. 1.2 представљена испрекиданим линијама. Око једног атома круже 4 сопствена електрона и 4 од одговарајућих околних атома, тј. у последњој љусци се налазе 8 електрона и
PAGE 1
оваква структура полупроводника није проводник. Да би полупроводник постао проводник неопходно је да се изврши модификација кристалне структуре.
Сл. 1.2. – Кристална структура силицијума. Сл. 1.3. – Заједнички електрони два атома у ковалентној вези.
Неки од електрона у кристалној решетки се могу ослободити ако им се споља доведе довољна енергија. Спољна енергија се доводи загревањем или на неки други начин, па већ на собној температури постоје слободни електрони у полупроводнику. Тада електрон излази из ковалентне везе и постаје слободан. На месту где је био електрон, остаје шупљина. Један атом у кристалу има један електрон мање и позитивно је наелектрисан. Описан процес се назива генерација (производња) парова електрон-шупљина. У чистом полупроводнику има мало слободних електрона и шупљина.
N и P тип полупроводника
У идеалној кристалној структури полупровод ника нема електрона способних да учествују у провођењу и успостав^ 0 01 F љању струје. Ако се технолошким поступком у полупровод ник убаци петовалентни елемент (антимон Sb , фосфор P , арсен Аs ) (сл. 1.4) један електрон постаје слободан и представља главни (већински) носилац електрицитета (у следећем питању биће објашњени мањински носиоци електрицит ета). Слободан електрон се и при малој енергији може кретати и учествовати у провођењу. Када слободан електрон (обележава се: –) услед спољашње енергије напусти атом поремети се електрична неутралност и ствара се позитиван јон (обележава се:F 0 C 5). Овакав полупроводник се назива полупроводник N типа. За мале струје у полупроводницима потребан је и мали број електрона, те је и број петовалентних атома значајно мањи од броја атома полупроводни^ 0 01 F ка – због тога се називају примесе. Петовалентни атоми незнатно нарушавају кристалну структуру полупроводника – због тога се називају нечистоће. Примеса која даје слободан електрон назива се донор. Поступак убацивања примеса назива се допирање. Додавањем примеса чистом полупроводнику повећава се његова проводност. На пример, ако се дода један атом примеса на 10 атома чистог полупроводника, његова проводност се повећа око 20000 пута Ако се допира тровалентни елемент (бор B , галијум Ga , индијум In , алуминијум Al ) (сл. 1.5) у кристалној структури недостаје један електрон и на том месту је шупљина (обележава се: +). Примеса која ствара шупљину назива се акцептор. Овакав полупроводник се назива полупроводник P типа.
PAGE 1
2. Диоде
Образовање PN споја
На саставу P и N полупроводника формира се PN спој (сл. 2.1). Услед близине слободни електрони из N области попуниће шупљину у P области, тако да у N области остаје позитиван јон а у P области ос0 01 F таје негативан јон (сл. 2.2). Поступак попуњавања шупљине електроном назива се рекомбинација. На споју остају некомпензовани непокретни јони (сл. 2.3) и између њих се успоставља електрично поље усмерено од позитивног ка негативном наелектрисању (унутрашње; у следећем питању поменуће се и спољашње електрично поље). Смер кретања електрона у електричном пољу је супротан од смера електричног поља, али је у почетку електрично поље мало и електрони из N области имају довољно енергије да се рекомбинују са шупљинама из P области. Рекомбинацијом се повећава број некомпензованих јона што утиче на повећање величине електричног поља. Када електрично поље достигне одређену вредност престаје рекомбинација јер смер поља не дозвољава кретање електронима и шупљинама.
Сл. 2.1. – PN спој. Сл. 2.2. – Прелазак електрона и Сл. 2.3. – PN спој после стварање јона на PN споју. рекомбинације.
Простор без електрона и шупљина где се налазе само некомпен^ 0 01 F зовани јони назива се просторни товар или просторно наелектрисање.
Директна поларизација PN споја
Да би се наставила рекомбинација на PN споју, потребно је довести спољашње електрично поље супротног смера од унутрашњег и већег интензитета (сл. 2.4). При малим вредностима спољашњег поља унутрашње поље не дозвољава рекомбинацију. Када спољашње поље достигне одређену вредност (праг провођења: 0,5F 0B 8 0,7 V; код германијумских: 0,2 V) омогућава се рекомбинација. Даљим малим повећањем спољашњег поља добија се велико повећање струје; графички приказ дат је на слици 2.5. Да би се заштитио PN спој у коло се поставља заштитни отпор R који се прорачунава да се не дозволи прекомерна струја кроз PN спој. При провођењу резултантно поље име смер спољашњег поља па се електрони потискују из N области у P област, а шупљине из P области у N област и просторни товар се сужава.
Сл. 2.4. – Директна поларизација PN споја. Сл. 2.5. – Карактеристика директне поларизације PN споја.
Инверзна поларизација PN споја
PAGE 1
При инверзној поларизацији смерови спољашњег и унутрашњег поља се поклапају (сл. 2.6). Резултантно поље потискује електроне у N област а шупљине у P област и просторни товар се шири. Главним носиоцима је онемогућено кретање, али споредни носиоци могу да се крећу под утицајем резултантног поља. Како споредних носиоца има врло мало и струја је врло мала и често се може занемарити. Број споредних носиоца не зависи од поља, већ од других фактора (деформација у полупроводнику, температура) и може се сматрати да је константан па се узима да је и струја инверзне поларизације константна.
Сл. 2.6. – Инверзна поларизација PN споја. Сл. 2.7. – Карактеристика инверзне поларизације PN споја.
Уколико се успостави велико спољашње поље (у зависности од PN споја од 50 F 0B 8 800 V) електрони из спољашње љуске могу добити довољну енергију да напусте атом и тада се ствара велики број електрона, односно, струја постаје велика што доводи до уништења PN споја (сл. 2.7). Напон при коме долази до уништења PN споја назива се пробојни напон.
PAGE 1
галванско одвајање једносмерног кола од наизменичног. При позитивним полупериодама диода проводи и на потрошачу постоји напон. Пад напона надиодијемали(0,5F 0B 8 0,7 V) иможесезанемаритипајена потрошачу приближно исти напон као на секундару трансформатора (сл. 2.11). При негативним полупериодама диода не проводи и на потрошачу је напон нула. Добијени напон на потрошачу је једносмеран, али пулсирајући па се углавном не може користити као једносмерни извор. Побољшање излазног напона се постиже постављањем електролитског кондензатора паралелно потрошачу. Електролитски кондензатор при малим димензијама има велику капацитивност, а може се користити само у једносмерним колима јер је поларисан, односно, један прикључак (означен са –) мора бити на мањем а други (означен са +) на већем потенцијалу.
Сл. 2.10. – Једнострани усмерач. Сл. 2.11. – Облици напона код једностраног усмерача.
У позитивној полупериоди кондензатор се пуни преко проводне диоде и напон на њему (ако се занемари пад напона на диоди) прати напон на секундару. Када напон на секундару након максималне вредности почне да опада, напонна кондензатору не може истом брзином да опада и диода се инверзно поларише а кондензатор се празни преко потрошача. Брзина пражњења зависи од вредности капацитета кондензатора и отпорности потрошача и карактерише се временском константом Т = RC , односно, при малој капацитивности (и отпорности) кондензатор ће се брже празнити, и обрнуто. Кондензатор се празни до тренутка када се напон на секундару не изједначи са напоном на кондензатору.
Задатак 3. Ако је код првог усмерача и , а код другог усмерача и , одредити који се кондензатор брже празни. Решење : Временске константе су:
Како је Т 1< T (^) 2 то се кондензатор код првог усмерача брже празни него код другог.
Двострани усмерач са средњим изводом
Недостатак једностраног усмерача је да се на излазу добија само једна полупериода. Да би се добила и другаполупериодапотребноје за време негативне полупериоде на секундару омогућити успоставља 0 01 Fње струје кроз потрошач у истом смеру као и при позитивној полупе^ 0 01 F риоди на секундару. То се остварује кориш^ 0 01 F ћењем две диоде и транс0 01 F форматора са средњим изводом (сл. 2.12). У позитивној полупериоди проводи диода D 1 а у негативној D 2 (сл. 2.13). Побољшање излазног напона се постиже постављањем електролитског кондензатора паралелно потрошачу. Недостатак овог усмерача је сложенија конструкција трансформатора.
PAGE 1
Сл. 2.12. – Двострани усмерач са средњим изводом. Сл. 2.13. – Облици напона код двостраног усмерача.
PAGE 1
Задатак 4. За коло на слици 2.17 одредити струје у свим гранама.
Сл. 2.17. Дато је: Решење :
Сл. 2.18. Потребно је прво одредити да ли је напон на диоди довољан да би диода проводила.
Како је напон мањи од пробојног напона Зенер диоде, ова не проводи и струја у њеној грани је Струје у гранама са RZ и RP су једнаке и износе:
Задатак 5. За коло на слици 2.17 одредити струје у свим гранама. Дато је: Решење : На основу претходног задатка:
Како је пробојни напон Зенер диоде мањи, на потрошачу и Зенер диоди је напон. Сада се може одредити струја потрошача:
Струја кроз заштитни отпорник отпорности R (^) Z је:
Према I Кирхофовом закону струја кроз Зенер диоду је:
Варикап диоде Код варикап диода користи се могућност промене димензија просторног товара. Примењује се инверзна поларизација код које се повећањем напонаповећаваширина просторног товара,односно,смањује капацитивност (сл. 2.19). Користе се код радио и телевизијских уређаја у области високих учестаности.
Шоткијеве диоде Шоткијеве диоде (сл. 2.20) се користе у веома брзим прекидачким колима. Имају снижени праг провођења, типично 0,4 V али може бити и мањи, до 0,2 V.
Прекидачке диоде Прекидачке диоде се најчешће израђују у планарној техници. Имају мале димензије и мале количине примеса, па им је капацитивност мала, а брзина укључивања и искључивања велика. За прекидачке диоде је веома битно да дифузна капацитивност буде што мања, јер се смањењем дифузне капацитивности смањује време укључивања и искључивања диоде. Обично је
PAGE 1
важније време искључивања јер је дуже од времена укључивања. Типично време искључивања је неколико наносекунди (на пример за диоду 1N4148 је 4 ns). Највише се употребљавају у дигиталним и импулсним колима.
PAGE 1
Сменом датог податка добија се: F 0D E.
Струја колектора је:
Начини везивања транзистора
Транзистор се најчешће користи у појачавачким уређајима. Улаз и излаз уређаја има по два прикључка, а како транзистор има три прикључка, то је неопходно да један транзисторски прикључак буде заједнички за улаз и излаз. Постоје спој са заједничким емитором, са заједничким колектором и са заједничком базом (сл. 3.4). Код споја са заједничким емитором улазни напон је UBE а улазна струја I (^) B ; излазни напон је U (^) CE а излазна струја I (^) C. Код споја са заједничким колектором улазни напон је UBC а улазна струја IB ; излазни напон је
UEC а излазна струја IE. Код споја са заједничком базом улазни напон је UEB а улазна струја IE ; излазни напон је U (^) EB а излазна струја I (^) C. У зависности од намене уређаја користи се одређен спој, а највише се користи спој са заједничким емитором за мање снаге а за веће спој са заједничким колектором.
а) Заједнички емитор. б) Заједнички колектор. в) Заједничка база. Сл. 3.4. – Спојеви транзистора.
Улазне карактеристике транзистора
Код транзистора промена неке величине утиче на промену више величина. Да би се могле упоређивати промене потребно је да нека величине буде параметар. У каталозима се најчешће дају карактеристике за спој са заједничким емитором. Више карактеристика са различитим парамет^ 0 01 F рима представљају фамилију карактеристика. Улазне карактеристике представљају зависност улазне струје од улазног напона при константном излазном напону (сл. 3.5). Како улазни напон директно поларише спој B-Е то је и улазна карактеристи0 01 F ка слична карактеристици директне поларизације. При већем излазном напону који инверзно поларише спој B-C подручје базе се сужава па се за исти улазни напон добија мања струја базе.
Сл. 3.5. – Улазне карактеристике транзистора.
PAGE 1
Излазне карактеристике транзистора
Излазне карактеристике представљају зависност излазне струје од излазног напона при константној улазној струји (сл. 3.6). Број електрона који се ствара у емиторском делу и број електрона који се рекомбинује убазномделу(и број електрона који прелази у колек^ 0 01 F торски део) зависи углавном од улазног напона ипроменаизлазногнапонаскороданема утицаја.
Сл. 3.6. – Излазне карактеристике транзистора. http://www.ecelab.com/vce-ic-curves.htm
Утицај излазног напона је знатнији тек код великих базних стру^ 0 01 F ја. При мањим улазним струјама карактеристика је скоро паралелна са апсцисном осом а при већим улазним струјама долази до повећања излазне струје са повећањем излазног напона.
Ограничења у раду транзистора
Радна област транзистора је дефинисана максималном излазном струјом, максималним излазним напоном и максималном излазном снагом (сл. 3.7) (улазна снага се занемарује јер су U (^) BЕ и IB много мањи од UCЕ и I (^) C , респективно). Излазна снага је одређена изразом: . За константну максималну вредност излазне снаге претходни израз представља хиперболичну зависност у I (^) C – UCЕ координатном систему. Ако се жели проширити радна област у домен већих снага потребно је транзистор поставити на хладњак.
Сл. 3.7. – Радна област транзистора.
Задатак 7. Одредити област рада транзистора чије су карактеристике дате на слици 3.8. Дато је:
Сл. 3.8. Решење : Област рада транзистора је одређена неједначинама:
Хипербола снаге је одређена изразом: . За из израза
се може нацртати хипербола представљена на сл. 3.9.
U CE (V) 4 8 12 16 I (^) C(А) 0,5 0,25 0,167 0,
PAGE 1
4. Појачавачи са биполарним транзисторима
Опште особине појачавача
Сигнал је у општем случају физичка величина чија вредност или промена током времена садржи неку информацију. У електротехници се информација често преноси помоћу напона или струје, па се користи напонски или струјни сигнал. На пример, величина напона из микрофона показује колико је звук био јак, а учестаност тог напона колика је била висина тона. Појачавач је електронско коло на чији улаз се доводи неки сигнал а на његовом излазу се добија сигнал истог облика, али веће вредности. Код транзисторских појачавача транзистор узима електричну енергију из једносмерног извора и један њен део се користи за појачање; ако се појачава наизменични сигнал транзисторски појачавач претвара енергију једносмерног извора у енергију појачаног наизменичног сигнала на излазу. Транзистор има нелинеарне карактеристике. Ако је напон који појачава мали, нелинеарне карактеристике су приближно линеарне. Транзисторски појачавач се за мале сигнале такође понаша као линеаран: ако се улазни сигнал повећа два пута и излазни се такође повећа два пута. У електротехници се често неко коло посматра као четворопол. Он има два крај на улазу и два на излазу. Ако се појачавач посматра као четворопол на улазу су улазни напон U (^) 1 и улазна струја I (^) 1 , а на излазу улазни напон U (^) 2 и излазна струја I 2 (ако се индексација врши бројевима, 1 се односи на улаз, а 2 на излаз).
Улазни напон и струја потичу од неког извора, односно генератора (нпр. микрофон), док се излазни напон и струја воде на потрошач (нпр. звучник). Еквивалентно коло појачавача са биполарним транзисторима, код појачања малих наизменичних напона, може се представити линеарним четворополом као на слици 4.1.
Сл. 4.1. – Транзисторски појачавач као четворопол.
Појачање напона A (^) u се дефинише као количник излазног и улазног напона:
Ако је појачање позитивно, то значи да при порасту улазног напона расте и излазни напон; ако је појачање негативно, при порасту улазног напона излазни напон опада. Појачање струје A (^) i се дефинише као количник излазне и улазне струје:
Улазна отпорност R (^) ul је отпорност између улазних крајева појачавача. Дефинише као количник улазног напона и излазне струје:
За директно мерење струје потребно је прекинути струјни круг. На слици 4.2 приказано је индиректно мерење струје. Отпорник R (^) 1 се пројектује да не
PAGE 1
утиче на рад склопа. Мерењем напона Ug и U 1 улазна струја се одређује из израза:
Сл. 4.2. – Мерење улазне отпорности појачавача.
Излазна отпорностсе дефинише као количник излазног напона празног хода U 20 (када потрошач није прикључен) и излазне струје кратког споја I (^) ks (када се излазни крајеви кратко споје). На слици 4.3 се види да је U 20 =E (^) iz , а када се излазни крајеви кратко споје Iks=E (^) iz / R (^) iz. Дељењем се добија:
Сл. 4.3. – Мерењеизлазног напона празног хода.
У пракси је често опасно мерити струју кратког споја, па се излазна отпор 0 01 Fност може мерити тако што се прво измери напон празног хода U (^) 20 =E (^) iz , а
потом прикључи потрошач (сл. 4.4).Са потрошачем према II Кирхофовом закону је:
Сл. 4.4. – Мерењеизлазног напона са прикљученим потрошачем.
Како је I = U p / R (^) p , следи:
Из овог израза се добија:
Из основа електротехнике је познато да се највећа снага на потрошачу добија када је R (^) p= R (^) iz. Овај принцип се примењује код појачавача снаге на високим учестаностима. На ниским учестаностима се настоји да улазна отпорност појачавача буде већа од унутрашње отпорности побудног генератора јер је тада слабљење напона од генератора ка појачавачу мање. Настоји се да излазна отпорност појачавача буде много мања од отпорности потрошача да би напон напотрошачу био што већи, што се види из претходног израза за напон напотрошачу. Појачање снаге се дефинише као количник излазне и улазне снаге:
Појачавач са заједничким емитором
Главна улога транзистора је да ради као појачавач напона, струје или снаге. При објашњавању принципа рада транзистора коришћена су два једносмерна извора. У пракси се из практичних разлога полариза^ 0 01 F ција PN спојева остварује једним једносмерним извором (сл. 4.5).
PAGE 1
Задатак 8. Одредити улазну и излазну струју за појачавач на слици 4.5. Дато је:
Решење: Заменом датих података у изразу за улазну струју добија се:
Заменом датих података у изразу за излазну струју добија се:
Радна права и радна тачка
Израз за излазну струју се може написати и као: .
Сл. 4.7. – Радна тачка и радна права.
За излазне карактеристике овај израз представља једначину праве (линеарну функцију) (сл. 4.7). Одсечак на апсцисној оси се одређује за ординатну вредност једнаку нули: F 0D EF 0D E Одсечак на апсцисној оси једнак је напону напајања Е (^) C. Одсечак на ординатној оси се одређује за апсцисну вредност једнаку нули: F 0D EF 0D E Све промене на излазу се дешавају по радној правој. Уколико се појачава наизменични сигнал те промене се обављају око радне тачке коју одређује струја базе из израза: , односно, радна тачка се добија у пресеку радне праве и карактеристике одређене струјом базе.
Задатак 9. Одредити радну праву и радну тачку за појачавач са слике 4.5. Дато је: карактеристике транзистора на слици 4.8. Решење : Заменом датих података за пресек са ординатном осом добија се:
Заменом датог податка за пресек са апсцисном осом добија се:
Сл. 4.8. Сл. 4.9. Заменом датих података за струју базе добија се:
Радну тачку одређује пресек радне праве и карактеристике за коју је. Са дијаграма на слици 4.9 очитавају се координате радне тачке Q:
Еквивалентна шема транзистора
Да би се могли користити закони из електротехнике потребно је транзистор представити еквивалентном шемом. Како се транзистор углавном користи за
PAGE 1
појачање наизменич0 01 F них напона, то су све величи0 01 F не наизменичне. Код наизменич 0 01 Fних величина индекси се пишу малим словима да би се разликовале од једносмерних, нпр. напон UBE је једносмерни напон између базе и емитора, а Ube је наизменични напон између базе и емитора. Улазна отпорност се обично означава са r (^) π и она се одређује на основу израза:
где су U (^) T константа која се назива термички напон и за температуру од 25 °С износи око 26 mV, ICQ колекторска струја у радној тачки. Параметар β је коефицијент струјног појачања и одређује се из израза:
Излазна струја је:
где је gm транскондуктанса
Еквивалентна шема транзистора дата је на слици 4.10. На улазу је улазна отпорност r π на коју је прикључен улазни напон Ube (или U 1 ) који остварује струју I (^) b. На излазу је струјни генератор g (^) mU (^) be.
Сл. 4.10. – Поједностављења еквивалентна шема транзистора.
Понашање транзистора на високим учестаностима
Еквивалентна шема транзистора на високим учестаности^ 0 01 F ма дата је на слици 4.11. Отпорност тела базе означена је са r (^) bb (типична вредност је 20 Ω), r (^) be је динамичка отпорност PN- спо0 01 F ја база-емитор (типична вредност је 2 kΩ), C (^) be
је дифузна капа^ 0 01 F цитивност споја база-емитор (типична вредност је 100 pF), C (^) bc је баријерна капаци^ 0 01 F тивност споја база-колектор (типична вред 0 01 Fност је 5 pF). Капаци^ 0 01 F тивност C (^) be се разликује код нисковрек0 01 F венцијских (100 pF) и високофреквенцијс^ 0 01 F ких (око 20 pF ) тран0 01 F зистора, такође и Cbc , код нисковреквенцијских типично 5 pF а код високофреквен0 01 F цијских око 0,5 pF.
Сл. 4.11. – Еквивалентна шема транзистора на високим учестаностима.
На високим учестаностима струја базе се све мање успоставља кроз PN- спој база-емитор, а све више кроз дифузну капацитивност између базе и емитора, услед чегасе добија све мања струја колектора, па је и коефицијент струјног појачања β све мањи.
Стабилизација радне тачке
Радна тачка се може померити деловањем разних фактора (нај 0 01 Fчешће се услед температуре доста мења UBЕ ) и тада уређај не одговара својој првобитној
PAGE 1
