Bipolarni tranzistor / folija - lrtme

Bipolarni tranzistor 

s 

B 

E 

C 

doc. dr. Peter Zajec 

Elektronika 

1


‣krmiljenje tranzistorja, tranzistorski efekt-korak 1 

- zaporni sloj U CB 

reverzno polariziran 

gener.para 

vrzel-elektron 

I CB0 

manjšinjski 

nosilci 

- skozi reverzno polariziran zaporni sloj teče mirovni tok I CB0 

(tok manjšinjskih nosilcev naboja!) 


Elektronika 

2



- zaporni sloj U BE 

prevodno polariziran 

rekombinacija 

‣elektroni iz E so inicirani v B (tok I N 

);vrzeli iz B so inicirane v E (tok I P 

) 

‣ker velja n N 

>>n P 

→ I N 

>>I P 

velik “pritok” elektronov 

(manjšinjski naboj v področju B) 

3 


Elektronika



- združimo korak 1 in korak 2 

tok rekomb. 

mirovni tok I CB0 

glavni 

tok 

tok 

rekombinacij 


Elektronika 

4

‣simbolna predstavitev 


‣tokovno ojačenje 


Elektronika 

5

‣osnovne vezalne sheme 


u BB 

U CC 

u BB 

U CC 

u BB 

U CC 

6 


Elektronika

‣vhodna 

Karakteristike bipolarnega tranzistorja 

r 

BE 

= 

dU 

dI 

BE 

B 

U 

CE 

= konst 


Elektronika 

7

‣izhodna 


Slika: Izhodna karakteristika (I C 

= f (U CE 

); I B 

= parameter) NPN tranzistorja v 

orientaciji s skupnim emitorjem 


Elektronika 

8


‣izhodna karakt., mejne vrednosti 

področje 

nasičenja 

(U CB 

=0) 

1) področje nasičenja 

2) področje mirovnih tokov (zaporno 

področje) 

3) aktivno področje 

4) nedovoljeno podr. (prekoračitev 

dovolj.moči) 

5) področje preboja (prekoračitev 

dovolj.napetosti) 

6) prekoračitev maksimalnega toka 

7) področje karakteristik, ki ga ni 

možno doseči 

Slika: Mejne vrednosti in delovno področje bipolarnega tranzistorja 


Elektronika 

9


‣krmilna karakterisitka 

β = 

dI 

dI 

C 

B 

U 

CE 

= konst 

S 

= 

dI 

dU 

C 

BE 

U 

CE 

= konst 

Slika: Krmilna karakteristika I C 

= f(I B 

) Slika: Krmilna karakteristika I C 

= f(U BE 

) 


Elektronika 

10

Modeli bipolarnega tranzistorja 

‣cilj modela: poenostaviti opis, analizo vezja 

Slika: Ebers-Moll-ov model NPN tranzistorja 


Elektronika 

11

Modeli bipolarnega tranzistorja 

‣cilj modela: poenostaviti opis, analizo vezja 

i 1 

i 2 

u 

u 

1 

2 

= z 

= z 

11 

21 

⋅ i 

1 

⋅ i 

1 

+ z 

u 1 

u 2 

+ z 

12 

22 

⋅ i 

2 

⋅ i 

2 

u 

i 

1 

1 

= a 

= a 

11 

21 

⋅ u 

⋅ u 

2 

2 

− a 

− a 

12 

22 

⋅ i 

⋅ i 

2 

2 

u 

i 

2 

1 

= h 

= h 

11 

21 

⋅ i 

⋅ i 

1 

1 

+ h 

+ h 

12 

22 

⋅ u 

⋅ u 

2 

2 

i 

i 

1 

2 

= y 

= y 

11 

21 

⋅ u 

1 

⋅ u 

1 

+ y 

+ y 

12 

22 

⋅ u 

2 

⋅ u 

2 

orientacija s skupnim E 


Elektronika 

12

Tranzistor kot ojačevalnik 

‣cilj:ojačati majhno spremembo ∆ u BB 

oz. ∆ u BE 

R C 

R B 

U CC 

∆u BB 

U BB 

R C 

definira “lego” 

mirovne 

delovne točke … 

v izhodni karakt. 

v krmilni karakt. 

v vhodni karakt. 


Elektronika 

13


‣cilj:ojačati majhno spremembo ∆ u BB 

oz. ∆ u BE 

14 

R C 

R B 

U CC 

∆u BB 

U BB 

R C 


Elektronika


‣popačenje: 

popačenje zaradi 

nelinearnosti 

izhodne 

karakteristike 

omejitev 

zaradi 

nasičenja 

Popačenje zaradi 

nelinearnosti vhodne 

karakteristike 

nepopačen 

signal 

omejitev zaradi 

zapore tranzistorja 


Elektronika 

15

(Ne)stabilnost mirovne delovne točke 

‣vzrok:temperaturna odvisnost tranzistorskih lastnosti 

mirovni tok tranzistorja 

C 

CEO 

( β + ) I CBO 

I = I ≅ 1 

I B 

=0 

C 

B 

( β ) I CBO 

I ≅ β I + + 1 


Elektronika 

16



tokovno ojačenje B 

Slika: Temperaturna odvisnost 

tokovnega ojačenja 


Elektronika 

17



napetost kolena U BE 

dodatni vzroki: spremembe napajalne napetosti, upornosti vezja 


Elektronika 

18

Stabilizacija mirovne delovne točke 

‣začetna postavitev mirovne delovne točke 

U CC 

19 

U CC 


Elektronika


‣… s pomočjo tokovne povratne vezi 

Thevenin.nad.vezje 

U CC 

U CC 

U 

0T 

= U 

R 

CC 

1 

R iT = 

R1 

+ 

R2 

R + R 

1 

⋅ R2 

R 

2 

2 

C E 

I = B ⋅ I + B + 1 I 

C C B ( ) CBO 

E 

U0 T − I B ⋅ RiT 

−U 

BE − ( I B + IC 

) ⋅ RE 

= 0 

R 

E 

≅ 

U 

I 

R 

C 

E 

R 

C 

U 

= 

CC 

−U 

I 

CE 

C 

−U 

R 

E 

I 

C 

= 

B +1 ≅ B 

( U0T 

−U 

BE ) ⋅ B + ( B + 1) ⋅( 

RiT 

+ RE 

) ⋅ ICB0 

R 

iT 

+ ( B + 1) ⋅ R 

E 

R 

1 

U 

= 

CC 

−U 

I 

R 

2 

BE 

+ I 

−U 

B 

R 

E 

R 

2 

U 

= 

BE 

I 

+ U 

R 

2 

R 

E 

I 

C 

U 

−U 

BE + ( RiT 

+ R 

R + B ⋅ R 

iT 

E 

⋅ I 

0 T 

E ) CB0 

≅ 

⋅ B 


Elektronika 

20



Elektronika 

B 

R 

B 

R 

I 

R 

R 

U 

U 

I 

E 

iT 

CB 

E 

iT 

BE 

T 

C 

⋅ 

⋅ 

+ 

⋅ 

+ 

+ 

− 

≅ 0 

0 ) 

( 

‣Faktor stabilnosti 

x 

x 

C 

CC 

CC 

C 

C 

CB 

CB 

C 

BE 

BE 

C 

x 

CC 

CB 

BE 

C 

R 

R 

I 

U 

U 

I 

B 

B 

I 

I 

I 

I 

U 

U 

I 

R 

U 

B 

I 

U 

f 

I 

∆ 

⋅ 

+ 

∆ 

⋅ 

+ 

∆ 

⋅ 

+ 

∆ 

⋅ 

+ 

∆ 

⋅ 

= 

= 

∆ 

∆ 

∆ 

∆ 

∆ 

= 

∆ 

δ 

δ 

δ 

δ 

δ 

δ 

δ 

δ 

δ 

δ 

) 

, 

, 

, 

, 

( 

0 

0 

0 

0 

0 

0 

δ 

δ 

) 

( CB 

CB 

C 

CB 

C 

I 

I 

I 

I 

f 

I 

∆ 

⋅ 

≈ 

∆ 

= 

∆ 

0 

) 

( 

CB 

E 

iT 

E 

iT 

C 

I 

R 

B 

R 

B 

R 

R 

I 

∆ 

⋅ 

⋅ 

+ 

⋅ 

+ 

≅ 

∆ 

E 

E 

iT 

CB 

C 

I 

R 

R 

R 

I 

I 

S CB ) 

( 

0 

0 

+ 

≅ 

∆ 

∆ 

= 

∆ 

Če predpostavimoR iT


‣… s pomočjo napetostne povratne vezi 

U CC 

R 

B 

= 

U 

CE 

−U 

I 

B 

BE 

R 

C 

U 

= 

I 

CC 

C 

−U 

+ I 

B 

CE 

C 

B 

( B + ) I CBO 

I = B ⋅ I + 1 

U 

CE 

−U 

BE 

− I 

B 

R 

B 

= 0 

U 

CC 

−U 

CE 

− ( I + I ) R = 0 

C 

B 

C 

I 

C 

= 

U 

U 

B B R 

R + ( B + 1) ⋅ R 

( CC − BE ) ⋅ + ( + 1) ⋅( 

B + C ) ⋅ CB0 

B 

C 

R 

I 

B +1 ≅ 

B 

I 

C 

U 

−UBE 

+ ( RB 

+ R 

R + B ⋅ R 

B 

C 

) ⋅ I 

CC 

C CB0 

≅ 

⋅ B 


Elektronika 

22


‣Faktor stabilnosti 

∆I 

C 

= 

f 

∆I 

≈ 

δI 

⋅ ∆I 

C 

( CB0) 

CB0 

δICB0 

I 

C 

U 

−UBE 

+ ( RB 

+ R 

R + B ⋅ R 

B 

C 

) ⋅ I 

CC 

C CB0 

≅ 

⋅ B 

∆I 

C 

( R 

≅ 

R 

B 

B 

+ RC 

) ⋅ B 

⋅ ∆I 

+ B ⋅ R 

C 

CB0 

Če predpostavimoR B 

‣cilj:vklop/izklop bremena 

Tranzistor kot stikalo 

R C 

R B 

U CC 

u BB 

R C 

R C 

“lega” mirovne delovne točke … 

R B 

U CC B 

u BB 


Elektronika 

24


‣načini izkrmiljenja stikala v zapornem področju 

R C 

I CS 

u BB 

R B 

U CC 

I CER 

U CC 

A:zapora z neg.krmilno napetostjo 

B:zapora z I B =0 

C:zapora z U BE =0 

D:zapora z R vezanim med B in GND 

E:prevajanje tranzistorja (nasičenje) 


Elektronika 

25


‣jakost izkrmiljenja stikala v področju nasičenja 

R C 

I CS 

U CC 

u BB 

I CER 

I 

B 

= 

U 

R B 

B 

BB 

−U 

R 

BE 

U 

CE 

= U 

CC 

− R 

C 

I 

C 

= U 

CC 

β ⋅ R 

− 

R 

B 

C 

( U −U 

) 

BB 

BE 

U 

CB 

= U 

CE 

−U 

BE 

= 0 

U −U 

U −U 

= = 

pri 

CC CE CC BE 

I 

CS 

⇒ 

BS 

= 

RC 

RC 

I 

I 

CS 

β 


Elektronika 

26


‣jakost izkrmiljenja stikala v področju nasičenja 

R C 

U CC 

u BB 

I CER 

U 

CB 

R B 

0 

= U 

CE 

−U 

BE 

= 

U −U 

U −U 

= = 

pri 

CC CE CC BE 

I 

CS 

⇒ 

BS 

= 

RC 

RC 

I 

I 

CS 

β 

‣dejanski bazni tok I B je vedno večji od izračunane vrednosti I BS 

I 

B 

γ = … faktor prekrmiljenja ‣ tranzistor se nahaja v globokem 

I BS 

nasičenju; U BE > U CE 

27 


Elektronika


‣bazno prekrmiljenje povzroči povečanje krmilnih izgub 

C 

( I I ) 

I = β ⋅ I = β ⋅ I = β ⋅ + 

C 2 2 B2 

2 E1 

2 C1 

B1 

B 

T 1 

E 1 

B 2 

T 2 

β = 

B1 

( I I ) 

I 

C1 

+ I 

C 2 

I 

C1 

+ β 

2 C1 

+ 

= 

I 

I 

B1 

B1 

E 

Slika: Darlington vezava 

tranzistorjev 

β = β + 

+ 

≈ 

1 

β1β 

2 

1 β1β 

2 


Elektronika 

28

Dinamične (preklopne) lastnosti tranzistorja 

‣vzrok:vpliv medelektrodne kapacitivnosti ter nakopičen naboj 

manjšinjskih nosilcev 

vklop tranzistorja 

U BB1 

U BB2 

U BB1 

U BB2 

U CC 

CB 

C BE 〉〉 C CB 

u 〈〈 u 

BE 

-čas zakasnitve od t 0 

do porasta napetosti u BE 

do vrednosti 0 

t 

d 

U 

1 = RBCBE 

⋅ln 

−U 

U 

BB2 

BB2 

BB1 


Elektronika 

29

Vklop tranzistorja 

U BB1 

U BB2 

U BB1 

U BB2 

U CC 

-čas zakasnitve od t d1 

do porasta kolekt.toka do 10%I C 

Slika: Prostorska razporeditev manjšinjskih nosilcev 

naboja preko preseka baze v odvisnosti od časa t med 

časom zakasnitve 

razporeditev naboja, ko začne 

tranzistor prevajati (≈t d 

) 

t 

d 2 

= (τ + R C ) ⋅ B ⋅ln 

B 

C 

CB 

γ 

γ − 0,1 


Elektronika 

30

Vklop tranzistorja 

-čas porasta t r 

; časovni interval od 10%I C 

do 90%I C 

-napetost u CB 

se začne zmanjševati, 

razporeditev naboja na meji nasičenja u CB 

=0 

-ko je u CB 

=0, “izgine” pospeševalna napetost na spoju 

CB, 

- z nadaljnjim zmanjševanjem u CB 

(prekrmiljenje) se 

v bazi na strani K se pojavi presežek manjš.naboja, 

razporeditev naboja, ko se tranzistor 

nahaja v prevodnem stanju 

t 

r 

≅ 

τ 

B 

⋅ B ⋅ln 

γ − 0,1 

γ − 0,9 

t = t + t 

ON 

d 

r 


Elektronika 

31

Dinamične (preklopne) lastnosti tranzistorja 

izklop tranzistorja 

-čas sprostitve t S 

t 

s 

= 

τ 

S 

⋅ln 

a + γ 

+ τ 

a + 0,1 

E 

⋅ln 

a 

a 

+ 

+ 

0,1 

0,9 

t 

f 

= 

τ 

E 

⋅ln 

a 

a 

+ 

+ 

0,9 

0,1 

a 

= 

− I 

I 

B2M 

B0 

…faktor negativnega 

izkrmiljenja 

-čas upada t f 

32 


Elektronika

Izklop tranzistorja 

U BB1 

U BB2 

Orientacijski prikaz odvisnosti 

preklopnih časov od faktorja baznega 

prekrmiljenja γ in faktorja baznega 

negativnega izkrmiljenja a 

γ =5 

γ =1 

bazno prekrmiljenje 


Elektronika 

33

Bazno prekrmiljenje…sklepna misel 

bazno prekrmiljenje 

I B 

I BS 

t 

‣cilj: pospešiti vklop/izklop 

-zmanjšati t d in t s 

dinamično prekrmiljenje 


Elektronika 

34

…dinamično prekrmiljenje 

C 1 

D 1 

D 2 

R 1 

R 2 

T 

D 2 

T 

R 1 

R 2 

T 1 

D 1 

C 1 


Elektronika 

35

…dinamično prekrmiljenje 

‣desaturacijsko vezje (angl. Baker clamp) 

u BB u BB 

u BB 

36 


Elektronika

U BE 

vklop 


izklop 

Podatki: 

D⋅T 

t 

U CC 

=250V 

=100A I CS 

I B 

=8A 

I B 

U CEsat , 

=2V 

I CBO 

= 3 mA 

t 

t =1µs t =3µs 

=0,5 µs 

r 

f 

t d 

f = 10 kHz D=50% 

s 

t s 

=5µs 

I C 

I CS 

0,9 

0,1 

t d 

t s 

t 

t r 

t f 


Elektronika 

37

U BB 

vklop 


izklop 

D⋅T 

t 

I C 

I CS 

I CBO 

t d 

t r 

t s 

t f 

t 

U CE 

U CC 

U CE,sat 

i 

C 

u 

( t) 

= I 

CE 

CBO 

( t) 

= U 

CC 

t 

P 

p ( t) 

= I 

d 

d 

1 

= 

T 

t 

d 

∫ p 

0 

CBO 

d 

⋅U 

CC 

( t) 

dt = I 

= 0,75 W 

CBO 

⋅U 

CC 

⋅t 

d 

⋅ 

f 

s 

= 

3,75 mW 


Elektronika 

38

U BB 

vklop 


izklop 

D⋅T 

t 

I C 

I CS 

I CBO 

U CE 

U CC 

t d 

t r 

i 

C 

u 

( t) 

= 

CE 

( t) 

= U 

U CE,sat 

I 

t 

CS 

r 

t 

CC 

+ 

t s 

, I 

CBO 

t f 

zanemarimo 

( U −U 

) 

CE, 

sat 

P 

r 

t 

t 

CC 

t 

t 

r 

tr 

1 

= ∫ p 

T 

0 

r 

( t) 

dt 

= 

I 

CS 

p ( t) 

= 

r 

⋅t 

r 

⋅ 

f 

s 

I 

t 

CS 

r 

⎡U 

⎢ 

⎣ 2 

CC 

⎡ 

t ⋅ ⎢U 

⎣ 

U 

+ 

CC 

+ 

CE, 

sat 

3 

( U −U 

) 

−U 

CE, 

sat 

CC 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

= 

CC 

t 

t 

r 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

42,33 W 


Elektronika 

39

U BB 

vklop 


izklop 

D⋅T 

t 

I C 

I CS 

I CBO 

t d 

t r 

t s 

t f 

t 

U CE 

U CC 

i 

C 

u 

( t) 

= I 

CE 

CS 

( t) 

= U 

CE, 

sat 

p 

N 

( t) 

= I 

CS 

⋅U 

CE, 

sat 

= 0,2 W 

U CE,sat 

t 

P 

N 

t 

1 

N 

= ∫ p 

T 0 

N 

( t) 

dt 

= I 

CS 

⋅U 

CE, 

sat 

⋅t 

N 

⋅ 

f 

s 

= 

W 


Elektronika 

40

U BB 

vklop 


izklop 

D⋅T 

t 

I C 

I CS 

I CBO 

t d 

t r 

t s 

t f 

t 

U CE 

U CC 

i 

C 

u 

( t) 

= I 

CE 

CS 

( t) 

= U 

CE, 

sat 

p ( t) 

= I 

s 

CS 

⋅U 

CE, 

sat 

= 

W 

U CE,sat 

t 

P 

s 

t 

1 

s 

= ∫ p 

T 0 

s 

( t) 

dt 

= I 

CS 

⋅U 

CE, 

sat 

⋅t 

s 

⋅ 

f 

s 

= 

10 W 


Elektronika 

41


U BB 

vklop 

izklop 

I C 

I CS 

D⋅T 

⎛ 

( ) ⎜ 

t 

iC 

t ICS 

1 − 

⎝ t 

f 

t 

uCE 

( t) 

= U 

CC 

, 

t 

f 

⎞ 

⎟ t 

, 

⎠ 

U 

I 

CEO 

CE, 

sat 

zanemarimo 

zanemarimo 

p 

f 

( t) 

= U 

CC 

t 

t 

f 

⋅ I 

CS 

⎛ 

⎜1 

− 

⎝ 

t 

t 

f 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

= 

s 

P 

f 

t f 

1 

= ∫ p 

T 0 

f 

( t) 

dt 

U 

= 

CC 

I 

CS 

6 

⋅t 

f 

⋅ 

f 

= 

125 W 

I CBO 

t d 

t r 

t s 

t f 

t 

U CE 

U CC 

U CE,sat 

t 


Elektronika 

42

U BB 

vklop 


izklop 

I C 

I CS 

D⋅T 

i 

C 

u 

( t) 

= I 

CE 

CBO 

( t) 

= U 

CC 

t 

P 

p 

O 

O 

( t) 

= I 

1 

= 

T 

t 

O 

∫ p 

0 

CBO 

O 

⋅U 

CC 

( t) 

dt = I 

= 0,75 W 

CBO 

⋅U 

CC 

⋅t 

O 

⋅ 

f 

s 

= 

315 mW 

I CBO 

t d 

t r 

t s 

t f 

t 

U CE 

U CC 

U CE,sat 

P 

T 

= Pd 

+ Pr 

+ PN 

+ Ps 

+ Pf 

+ PO 

= 274,65 W 

t 


Elektronika 

43



Elektronika 

44



Elektronika 

45



Elektronika 

46



Elektronika 

47



Elektronika 

48

Bipolarni tranzistor / folija - lrtme

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?