98
Elektronika – součástky a obvody, principy a příklady
Pro stanovení SU neuvažujeme zdroj ∆ivýst, který nahradíme konstantním zatěžovacím odporem RZ a výsledný NLO pak odpovídá obr. 4.39c). Odtud lze již snadno stanovit 𝑆𝑆𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼 =
Δ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑣𝑣𝑣𝑣ý𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 ⋅ Δ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑣𝑣𝑣𝑣ý𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = = 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 , Δ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑣𝑣𝑣𝑣ý𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 Δ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑣𝑣𝑣𝑣ý𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑈𝑈𝑈𝑈 =
𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 ||𝑅𝑅𝑅𝑅𝑍𝑍𝑍𝑍 𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 Δ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑣𝑣𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = ≅ , Δ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑣𝑣𝑣𝑣ý𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 ||𝑅𝑅𝑅𝑅𝑍𝑍𝑍𝑍 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑
(4.16)
kde jsme uvažovali rd << RZ. Ze vzorce pro SI je patrné, že kvalita stabilizace je tím vyšší, čím nižší je hodnota diferenciálního odporu rd za kolenem V-A charakteristiky ZD, tj. čím je tato část charakteristiky „kolmější“ na osu napětí. Je proto snahou výrobců, aby hodnota rd, která je udávána v katalogu, byla co nejmenší (pro malé UZ je v řádu jednotek Ω). Ze vzorce pro SU je patrné, že stabilizátor snižuje zvlnění vstupního napětí, a to tím více, čím větší je poměr omezovacího odporu R a diferenciálního odporu rd. Z hlediska ∆uvst a ∆uvýst se totiž jedná o dělič napětí, kde prakticky vždy platí R > rd.
Příklad 4.7 Navrhněte stabilizátor se Zenerovou diodou z obr. 4.38, je-li požadováno výstupní napětí Uss = 10 V a výstupní proud Ivýst = 20 mA, jehož kolísání je +/–5 mA. Možnost úplného odpojení zátěže neuvažujte. Určete hodnotu Su. Řešení Zenerovu diodu zvolíme pro pracovní bod UZ = 10 V a IZ = 10 mA. IZ volíme jako dvojnásobek kolísání proudu pro spolehlivé nastavení pracovního bodu do oblasti malého diferenciálního odporu. Z katalogu zvolíme ZD tak, aby měla mezní proud nejméně 15 mA, popř. mezní ztrátový výkon alespoň P = UZ.IZ = 10.0,015 = 0,15 W. Tomu odpovídá např. dioda BZX83V010 s Pmax = 0,5 W a rd = 5,2 Ω. Hodnotu odporu rezistoru R stanovíme z úbytku napětí UR, který volíme jako kompromis mezi dosažením určité hodnoty činitele napěťové stabilizace SU a účinností. Malý odpor R by znamenal nižší hodnotu napětí U0 a malý SU, zatímco velký odpor R by vedl na potřebu vyšší hodnoty napětí U0 , a tedy i na velkou výkonovou ztrátu na rezistoru R. Zvolíme proto např. UR = 25 % Uss = 2,5 V. Odtud vyplývá vstupní ss napětí stabilizátoru 𝑈𝑈𝑈𝑈0 = 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = 2,5 + 10 = 12,5 [𝑉𝑉𝑉𝑉] a 𝑅𝑅𝑅𝑅 =
𝑈𝑈𝑈𝑈𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑅𝑅𝑅𝑅 2,5 = = = 83 [Ω] 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍𝑍 + 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑍𝑍𝑍𝑍 0,01 + 0,02
Z katalogu zvolíme rezistor 82 Ω z řady jmenovitých hodnot E12 takový, který snese ztrátový výkon PR = R.IR2 = 82.0,032 = 0,07W. 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑈𝑈𝑈𝑈 =
𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 82 + 5,2 = = 16,8 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑑𝑑𝑑𝑑 5,2
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS506884
Tranzistory
99
5. Tranzistory Tranzistory jsou elektronické součástky (nejčastěji) se třemi elektrodami, které jsou v závislosti na jejich konkrétním zapojení schopny zesilovat buď napětí, nebo proud, nebo obojí současně. Proto je tranzistor považován za aktivní součástku na rozdíl od diody, která nemá zesilovací schopnost, a je proto pasivní součástkou. Název vyplývá ze slovního spojení TRANsfer reSISTOR, které mu dali pánové Bardeen, Brattain a Shockley v roce 1947 při jeho objevení. Důvodem byla změna jeho odporu mezi dvěma svorkami řízená velikostí proudu v řídicím obvodu do třetí svorky. Dnes existuje několik principů tranzistorů, které se podle konstrukce dělí na bipolární, unipolární a kombinované (např. IGBT na obr. 5.1). Bipolární tranzistory využívají ke své činnosti jak elektrony, tak i díry. Naproti tomu k zajištění základního principu činnosti unipolárních tranzistorů stačí nosiče náboje jedné polarity, a to elektrony (díry) pro kanál typu N (P). Rozdělení dále probíraných typů tranzistorů je uvedeno na obr. 5.1. TRANZISTORY
UNIPOLÁRNÍ Polem řízené - Field Effect Transistor = FET
BIPOLÁRNÍ Bipolar Junction Transistor = BJT PNP
NPN
MOSFET
MESFET
zabudovaný indukovaný kanál kanál
P
N
P
N
JFET
kanál N zabudovaný indukovaný kanál kanál kanál P
P
N
P
N
BIPOLÁRNÍ POLEM ŘÍZENÉ IGBT
Obr. 5.1 Rozdělení základních typů tranzistorů podle konstrukce.
5.1 Bipolární tranzistor Bipolární tranzistor se skládá alespoň ze tří různě dotovaných oblastí tvořících dva přechody P-N v těsném uspořádání (obr. 5.2). Názvy emitoru a kolektoru respektují skutečnost, že silně dotovaný emitor N++ (P++) „emituje“ elektrony (díry) do úzké báze P+ (N+), kterou většina z nich projde a je „sbírána“ kolektorem N (P). Počet prošlých částic z emitoru do kolektoru lze přitom ovládat velikostí proudu do báze. Název báze vznikl historicky, když u prvního tranzistoru byla báze tvořena základní destičkou (base), do níž byly shora přitlačeny přívody emitoru a kolektoru umístěné v těsné blízkosti. Úroveň dotace (rostoucí s počtem plusů +) a rozměry oblastí na obr. 5.2 vyplývají z potřeby dosáhnout co nejlepších elektrických parametrů. Emitor N++ (P++ na obr. 5.2b) je tedy dotován nejvíce, kolektor N (P na obr. 5.2b) nejméně. Šipka ve schematické značce vyznačuje kladný směr proudu emitorem, který je opačný vzhledem ke směru pohybu elektronů.
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS506884
100
Elektronika – součástky a obvody, principy a příklady
++ +
N P
Emitor E
IB
a)
Kolektor C C
B
B
Báze
++
N
+
P N
Emitor E
IC
b)
Kolektor C C
B
B
Báze
E
P
IB
IC
E
Obr. 5.2 Schematické značky a zjednodušená struktura bipolárního tranzistoru NPN a PNP. Emitor je znázorněn šipkou ukazující kladný směr proudu emitoru tvořeného proudem báze a kolektoru. Na obr. 5.3 je nakreslena struktura tranzistoru NPN, která odpovídá klasickému výrobnímu postupu diskrétního tranzistoru (a) a tranzistoru v integrovaném obvodu (b). Na rozdíl od obr. 5.2 respektuje nutnost realizace přívodů k jednotlivým oblastem v praxi přijatelným způsobem. V dalším výkladu se soustředíme na fyzikální popis chování v modře vyznačené aktivní části, v níž se „odehrává“ tzv. tranzistorový jev. B
B
E
++
N
C
++
N
+
P+
P N
N ++
N
substrát typu N +
a)
B
E
++
N
substrát typu P
C
b)
Obr. 5.3 Průřez diskrétním tranzistorem (a) a tranzistorem z integrovaného obvodu (b).
5.1.1 Princip činnosti Bipolární tranzistor se skládá ze dvou P-N přechodů (báze–emitor B–E a báze–kolektor B−C), které lze polarizovat čtyřmi možnými způsoby. Odtud pak vyplývají čtyři možné režimy činnosti shrnuté pro tranzistor NPN v tabulce 5.1. Jejich princip je postupně diskutován v samostatných kapitolách. Tabulka 5.1 Režimy tranzistoru podle polarizace přechodů P-N tranzistoru NPN. (UT je prahové napětí příslušného P-N přechodu.) Polarizace přechodu B-E
Polarizace přechodu B-C
Režim
UBE < UT
UBC ≤ 0
Nevodivý
UBE ≥ UT
UBC < 0
Normální aktivní
UBE < 0
UBC ≥ UT
Inverzní aktivní
UBE > UT
UBC > 0
Saturace
Ukázka elektronické knihy