1 Elektronika 2 Jegyzet. Elektronika 2. Jegyzet

1

Elektronika 2 Jegyzet

Elektronika 2 Jegyzet …

2010

2


Fél v ezető k A félvezetők úgy forradalmasították az ipart, mint ahogyan azt korábban a gőzgép tette. Ma már aligha lehetne olyan műszaki, vagy háztartási gépet találni, amely ne tartalmazna valamilyen félvezető alkatrészt.

A félvezetőkről általában: Világunkat atomok építik fel, melyeket negatív töltésű elektronok, pozitív töltésű protonok és semleges neutronok alkotnak. Az elektron egyfajta ködöt alkotva egy adott helyen csak véges valószínűséggel-, rá jellemző eloszlással rendelkezik. Azokat a térrészeket, ahol az elektron sűrűbben fordul elő, elektronhéj aknak nevezzük. Ezek nem mindig gömbszimmetrikusak, a kvantummechanika eredményei alapján változatos geometriájú, esetenként látszólag nem is összefüggő formákat ölthetnek. Az egyes héjakat alkotó pályák eltérő energiájú elektronokhoz (lehetséges energiaszintekhez) tartoznak. Minél nagyobb energiájú egy elektron, annál távolabbra kerül a magtól, akár egy gumikötéllel pörgetett kő, amit egyre erősebben forgatunk. A külső elektronok így a magtól kisebb-; a mélyebben lévők nagyobb energia közlésével távolíthatók el ugyanakkora távolságra. Bizonyos gerjesztés fölött az elektron elhagyja az atomot (leszakad), bekövetkezik az ionizáció. A kvantummechanika és spektroszkópia közös eredménye, hogy az egyes pályák között kvantumos, azaz nem folytonos az átmenet. A közölt energia mindaddig nem csatolódik az elektron energiájához, míg az nem elég valamely létező nagyobb energiájú pálya betöltéséhez. Ezt az elsőre meglepő viselkedést úgy képzelhetjük el, hogy hiába akarjuk a követ egy kissé jobban megpörgetni, egyszerűen nem bírjuk; a kő állandó sugarú íven marad, az energia pedig csak a kezünkben gyűlik. Ha növeljük az igyekezetet és elérünk egy bizonyos határt, egyszer csak ugrásszerűen megnyúlik a gumikötél és a kő egy újabb, nagyobb sugarú körpályára vált át, miközben karunk energiája teljesen kimerül. A folyamat fordítottja is lehetséges: ha egy elektron alacsonyabb energiájú pályára ugrik, a különbözetet egyszerre adja le környezetének. A lehetséges pályákat (energiaszinteket) és az ezek közötti lehetséges átmeneteket az atom elektronszerkezete határozza meg. A közölhető energia eredete lehet bármi, ami az elektronhéjat gerjeszteni képes: hő (termikus gerjesztés), elektromágneses- vagy radioaktív sugárzás. Az anyag gerjesztett (magasabb) energiaállapotából – általában jól meghatározható időn belül regenerálódik - visszatér alapállapotába, amit termikus úton (relaxációs hűlés) vagy többnyire az átmeneteknek megfelelő energiakülönbségű foton (elektromágneses sugárzás) kibocsátásával ér el. Az elektronok energiája tehát az atom szerkezete által rögzített, új regenerálódik, leadva azt a többletenergiát, értéket pedig csak diszkrét ugrásokkal vehet fel. Amikor atomokat közelítünk egymáshoz, a fellépő különböző kölcsönhatások (e-e, e-mag, mágneses hatások) újabb lehetséges pályákat, további energiaállapotokat hoznak létre. Ezek a meglévő szintek felhasadása ként jelentkeznek. Az atomok száma egy mákszemnyi kristálydarabkában 1018-1019 darab, a jelenséghez pedig a rács minden környező atomja hozzájárul. A nívók ilyen mértékű „besűrűsödése” alapján azt hihetnénk, hogy ekkor már minden elképzelhető energiaértékhez elegendően közel – akár átlapolódva - találhatunk újabb szinteket, azaz egyetlen, összefüggőnek tekinthető (kvázifolytonos) energiasáv, ill. sávszerkezet jön létre.

Az anyagban belső szimmetria alakul ki. Olyan energiaszintekkel, amelyekkel jellemző elektronokat egyáltalán nem találunk az anyagban. Az ilyen pályákat magába foglaló tartományt a sávszerkezetet ábrázoló sávdiagram on tiltott sáv nak nevezzük.

3

Elektronika 2 Jegyzet Azokat a tartományokat pedig, ahol a lehetséges szintek igen sűrűn jelennek meg (akár átlapolódva), megengedett sáv oknak hívjuk. Különösen fontos az atomok legfelső, még elektronokat tartalmazó megengedett sávja, a vegyértéksáv. Itt találhatók ugyanis legkülső, molekuláris kötések létrehozására képes vegyérték-elektronok. A tiltott sáv hiánya, vagy a részleges betöltöttség a vezetőképesség, a fémes jelleg megjelenésével jár.

A félvezetők lyuk-elektron modellje: A félvezető eszközök működésének vizsgálatát megkönnyíti a lyukgerjesztés gerjesztett elektronelektron modell használata. Ebben egy virtuális, pozitív, az elektronnal minden más tulajdonságában teljesen azonos részecskét (töltéshordozót) elektronok lyuk vezetünk be, amit lyuk nak nevezünk. A lyuk az elektron egyfajta hiányát reprezentálja a vegyértéksávban, ami annak az elektronnak a helyén lép fel, amely a vezetősávba gerjesztődött. Egyszerre általában egy lyuk és egy vezetési elektron együttes keletkezése, generációja valósulhat meg. Hasonlóan, ha egy elektron a vezetési sávból a vegyértéksáv egy szabad helyére (azaz egy „elektronhiány”-ba) kötődik be, egyszerre két részecske semmisül meg, egy vezetési elektron és egy lyuk, mintegy kioltják egymást. Találkozásuk (azaz megszűnésük) azt az energiát szabadítja fel, amit az elektron korábban, a vegyértéksávból való kiszakadásakor vett fel. A lyuk-elektron pár kölcsönös megszűnési a lyuk matát rekombinációnak nevezik. Ha a lyukba nem egy szabad, hanem a rács egy közeli kötésében már részt vevő elektron ugrik át, a hiány szintén megszűnik. Az újonnan érkezett elektron azonban a rácsban maga után önnön hiányát hagyta. Ezt a folyamatot „fordítva” úgy is szemlélhetjük, mintha a lyuk, mint önálló részecske mozdult volna el a kötésekben, független töltéshordozóként.

A félvezetők tiszta, kristályos állapotukban lényegében szigetelőanyagok, mint pl.: C, Si, Ge, Sn . A nagy tisztaságú (min. 10 ppm) állapotban-3 előállított, homogén és rácshibától mentes félvezetőt intrinsic [„intrinszik”] vagy i típusú félvezetőnek nevezzük.

Érdekes és az ipar számára fontos tulajdonságok a kristály különböző anyagokkal való szennyezésekor jelennek meg. Ha a kristályrácsba olyan idegen atomok épülnek be, melyek vegyértékelektron-száma eltér a környező félvezető atomokétól, a kovalens kötésekhez szükséges és a kötésekre kész elektronok száma kiegyenlítetlen lesz, a szennyezés környezete gyengén kötött töltéshordozókat tartalmaz. Példaként legyen adott a szilícium szerkezete és szennyezzük ezt foszfor (P) atomokkal. A foszfornak 5 vegyértékelektronja van, amelyek közül négy létre is hozza a szilíciumrácsba épüléshez szükséges 4 kovalens kötést. A maradék egy elektron továbbra is az eredeti atomhoz tartozik, de ahhoz már csak gyengén kötődik. Kisebb kölcsönhatások könnyen leszakíthatják. Ez a fajta anyagtípus gerjesztés hatására elektronokat – azaz negatív töltéshordozókat- képes leadni. Ennek alapján ezt a szennyezett félvezetőt n-típusú félvezető nek, az ezt előidéző adalékanyagot pedig donorszenynyezésnek nevezzük. Ha foszfor helyett alumíniumot (Al) használunk, melynek csak 3 vegyértékelektronja van, mind a három erős kötést létesít. A szilíciumrács 4 kötés létesítésére képes, de ehhez még egy további elektronra is szükség lenne. A kovalens kötés energetikailag kedvező, így ha e hely közelébe elektron kerül, az könnyen

4

Elektronika 2 Jegyzet bekötődik a szabad helyre. Ilyen értelemben az anyag egyfajta elektronfelvevő képességgel rendelkezik, emiatt a szennyezést ak ceptor szennyezésnek nevezzük. Ekvivalens módon úgy is fogalmazhatunk, hogy a szennyezés környezetéhez valójában gyengén kötött elektronhiány, azaz lyuk tartozik. Mivel a modellben az akceptor lyukak (pozitív töltéshordozók) leadására képes, ezt az anyagot p-típusú félvezetőként említjük. Abszolút nulla fok feletti hőmérsékleten a kristályrács atomjai rezegnek (mint atomi oszcillátorok). A termikus eredetű mozgási energia - anyagi kölcsönhatásokon keresztül - elmozdítja a szennyezések gyengén kötött töltéshordozóit melyek a kristályban folyamatosan sodródnak. Emellett spontán párkeltődés ek is létrejöhetnek (vegyértékelektronok gerjesztődnek lyukakat hagyva hátra). Két eltérő kisebbségi töltéshordozó val (lyuk és elektron) jellemezhető (p- és n-típusú) anyagot összeérintve érdekes folyamat figyelhető meg. Szobahőmérsékleten mindkét félben vannak szabadon sodródó töltéshordozók. Az összeolvadt kristályfelekből az atomok termikus mozgása és a töltéshordozók koncentrációkülönbsége a töltéshordozók diffúz mozgás át eredményezi az ellentétes értelmű oldal felé, ahol viszont rekombináció is létrejöhet. Az illesztés pillanatában meginduló áramlás azonban rövid időn belül csillapodik és bekövetkezik egy állandósult, egyensúlyi állapot. Képzeljük el most, hogy a donor oldal egy gyengén kötött elektronja leszakad és az illesztési határ (p-n átmenet) felé diffundálva rekombinálódik. A félvezető kristályt és a szennyezést is semleges atomok alkotják, ez a neutralitás a kovalens kötések létrejötte után is megmarad.

Ha egy donor elektron (negatív töltés) leszakad, a visszamaradt atomtörzs annyival pozitívabbá válik. Minél több elektron távozik a donor oldalról, az annál erősebb visszatartó erőt jelenít meg a soron következő elektronok számára. Bizonyos idő elteltével (adott hőmérsékleten) már akkora lesz az atomtörzsek pozitív potenciálja, hogy az elektronok egyáltalán nem képesek a p-n átmenet közelébe sodródni. Természetesen az akceptor oldalon is hasonló folyamat játszódik le, ott lyukak vándorolnak, a visszamaradt atomtörzsek pedig negatívabb töltésűekké válnak.

Miután egyik félből sem jutnak már további töltéshordozók a p-n átmenet közelébe, bekövetkezik egy stacionárius állapot: a p-n átmenet környékén elfogynak a töltéshordozók, kialakul a kiürítési réteg. Vastagsága valójában néhány mikron. Az atomtörzsek által képviselt potenciál ennek a tartománynak a közvetlen közelében, az anyag belsejében érvényesül, így a két fél makroszkopikusan továbbra is semleges marad, feszültség rajtuk nem mérhető. Az elvándorolt (és rekombinálódó) töltéshordozók ellen Ezért szokás ezt a belső elektromos erőteret „Built-in” vagy „Beépített” erőtérnek nevezni.

5


A dióda

A diódát egyetlen, p-n átmenet alkotja. Mi történik, ha az egyes feleket eltérő potenciálokkal látjuk el? Tegyük fel, hogy az akceptor oldalra pozitív-, a donor oldalra pedig negatív feszültséget kötünk. A külső tér az ellentétes irányú belső potenciálra szuperponálódik, fokozatosan elnyomva a töltött atomtörzsek hatását. A kiürítési réteg teljes eltűnése Ge esetén 0.3-0.4V,Si esetén 0.65-0.7 V mellett következik be, amit a dióda nyitófeszültség ének nevezünk. A dióda nyitásakor a szabad elektronok akadálytalanul haladnak a p létre. n átmenet felé (a lyukak hasonlóan az akceptor oldalon). Az átmenetben a lyukelektron párok találkozása révén folyamatos rekombináció jön létre, ami megfelel (gondoljunk a lyukak jelentésére) az elektronok egyirányú áramlásának, vagyis az elektromos áram megjelenésének. A dióda vezet, a rákötött feszültséget pedig polaritására tekintettel nyitóirány únak nevezzük.

Most azt az esetet vizsgáljuk meg, amikor az akceptor oldalra negatív, a donorra pedig pozitív (záróirányú) feszültséget kapcsolunk. Ez azt jelenti, hogy a már eleve negatív tértöltést még negatívabbá, a pozitívat pedig még pozitívabbá tesszük. Eredményül az adott anyagtípusra jellemző kisebbségi töltéshordozók nem képesek a rekombinációs zóna közelébe jutni. A kiürítési réteg kiszélesedik, és a dióda lezár. Ha a dióda zárófeszültségét tovább növeljük, egy másik érdekes jelenségnek lehetünk tanúi. Nem abszolút nulla fokon (-273.13 C°) az anyagot alkotó atomok rezegnek és egymással kölcsönhatva gerjesztődhetnek is. A közölt energia képes lehet akár a vegyértéksávból elektront kiszakítani, ahol ennek megfelelően lyuk is keletkezik (spontán párkeltés). Hasonló folyamat megfigyelhető erőtér az egyes felek töltéshordozóit nem engedi a rekombinációs zóna közelébe. Erősen szennyezett donor és akceptor esetén is, ahol külső feszültség nélkül is a kiürítési réteg olyan vékony, hogy a kvantummechanikából ismert alagút effektus révén képesek a donor oldal elektronjai az akceptor oldalra kerülni (és a lyukak is viszont). Külső feszültség nélkül a lyukelektron párok generációjával a folyamatos rekombináció tart egyensúlyt, így végeredményben az anyag ilyen jellegű „belső forrongása” különösebben nem érzékelhető.

Nagyobb záró irányú feszültség a keskeny kiürítési rétegben akkora térerőséget hozhat létre (E=U/d miatt), hogy az képes a rácsból elektronokat kitépni. Emellett a keletkezett párokat kellően el is képes távolítani egymástól. Az elektronokat a pozitív-, a lyukakat pedig a negatív térfél irányába gyorsítva, csekély mértékű záróirányú áram jelenik meg. Ha a zárófeszültség elegendően nagy, a gyorsuló töltéshordozók már rövidtávon akkora (sebességre) energiára tehetnek szert, hogy a rácsot alkotó atomokkal ütközve újabb párokat kelthetnek. Azok hasonlóan gyorsulva újabbakat, és még újabbakat

6

Elektronika 2 Jegyzet hozhatnak létre. A folyamat ilyen jellegű megfutását lavina-effektus nak nevezzük. Ennek során az áram külső korlátozó ellenállás hiányában elméletileg határok nélkül növekedne, a dióda melegszik, majd átüt. Az átütés jelenségének kialakulását, Zener-effektus nak nevezzük. Az a potenciálkülönbség, amely a dióda károsodásához vezet, az átütési feszültség, e fölött a dióda a nyitóirányhoz (normál működéshez) képest ellentétesen vezeti az áramot és általában rövid időn belül tönkremegy. A Zener-diódák olyan diódatípusok, ahol az átütés jelensége a vezetőben nem véletlenszerű helyen, pontszerűen (átszúrás), hanem a félvezető teljes keresztmetszetén, homogén módon jön létre. Ezért külső áramkorlátozás mellett ebben a tartományban is biztonságosan üzemeltethetők. A záróirányú áram jelentősége akkor kiemelkedő, ha az elrendezés érzékeny a diódaáram nulla szintjére (ilyenek pl. a fotodiódás alkalmazások), vagy ha a működés extrém körülmények között valósul meg (nagy záróirányú feszültség, magas hőmérséklet).

A dióda jellemzői: A diódát tehát egyetlen, az előzőekben bemutatott p-n átmenet al Kapacitásdióda kotja. Láttuk, viselkedése polaritásfüggő, a helytelen kapcsolás nem megfelelő működést, túlfeszültség esetén a dióda károsodását is okozhatja. Általános rajzjelét ezért igen szemléletesre választották: A háromszög felőli kivezetés (itt balra) az anód, a jobb oldali vég pedig a katód. A dióda akkor van nyitóirányban, ha az anódja pozitívabb, mint a katódja, ellenkező esetben a dióda záróirányú feszültséget (záróirányú előfeszítést) kap. Jelentősebb vezetési jelenséget akkor tapasztalunk, ha a nyitóirányú feszültség meghaladja a nyitófeszültséget. A rajzjel nyíl alakú része mutatja az áram egyetlen lehetséges irányát a nyitott diódán, a rajz alapját szolgáló vízszintes vonal pedig az ugyanekkor fellépő rövidzárat szimbolizálja. Láttuk, hogy a dióda áramának mértéke a külső feszültség nagyságától és előjelétől függ. A két mennyiség kapcsolata – az I(U)-karakterisztika- feszültségméréssel is könnyen felvehető. A dióda áramának ábrázolása feszültségének függvényében a diódakarakterisztika. Az első a nyitási tartomány, ahol a dióda helyes polaritású nyitófeszültség mellett kinyit. Látható, hogy valójában bármely pozitív feszültség esetén folyik valamekkora áram a diódán és ennek mértéke nő exponenciális jelleggel a nagyobb potenciálkülönbségek felé. A görbe felfutó részét szokás első rendben egy egyenessel közelíteni, melynek metszéspontját a vízszintes tengellyel nevezzük nyitófeszültség nek. A második a lezárási tartomány. A diódán ebben az állapotban nem folyik (jelentősebb) áram. A harmadik a letörési tartomány. A magas záróirányú feszültség lavina effektust okoz, melynek hatására a görbe hirtelen, nagy meredekséggel „letörik”. Ezt a meredek változást ismét egyenessel közelítve definiálható a letörési feszültség vagy más néven Zener-feszültség (UZ). Az alkalmazások legtöbbjénél a dióda nyitási tartománya, pontosabban a karakterisztika görbéjének pozitív feszültségekre felvett értékei lényegesek, mert lezárt esetben (feltéve, hogy nem a letörési tartományban működik) a dióda szakadásnak tekinthető. A tapasztalatok szerint pozitív feszültségekre a görbe jól közelíthető az alábbi diódaegyenlettel:

7


A dióda egyenáramú helyettesítő képe A karakterisztika alapján világos, hogy az egyes feszültségértékekhez más-más áram tartozik az exponenciális görbe különböző szakaszain. A dióda aktuális ellenállása egy adott pontban - hasonlóan más alkatrészekhez - az Ohm törvény alapján kapható (R=U/I). Azt az üzemi állapotot, ahol a dióda adott feltételeknek megfelelő egyenáramú működése valósul meg, munkapontnak (M) nevezzük. A munkapontot tehát adott egyenfeszültség (Ud0) és egyenáram (Id0) jellemez. A diódával kapcsolatos feladatok az alkalmazásnak megfelelő üzemi állapot (munkapont) helyes megválasztásával és az azt biztosító kapcsolás megvalósításával, vizsgálatával foglalkozik. Ahhoz, hogy a diódát a kívánt üzemállapotba hozzuk, számára megfelelő feszültséget és áramot kell biztosítanunk. Nézzük a kapcsolást! A diódára megfelelő polaritással, ismert feszültségű generátort (Ug) kötünk. Mivel az anód pozitívabb, mint a katód, a dióda nyitóirányú feszültséget (Ud0 ) kap. Áramának korlátozására sorosan egy ú.n. előtét ellenállást (R) helyeztünk be. E nélkül a tápfeszültség a dióda nyitásakor, azon keresztül gyakorlatilag rövidre záródna, ami az alkatrészek károsodásához vezetne. Értékét úgy kell megválasztani, hogy ha a dióda rövidzár, a tápfeszültség pedig maximális (Ugmax), a kör árama akkor se haladjon meg egy, a dióda adatlapja alapján biztonságosnak ítélt értéket (Imax). Ezt ismertnek tekintve a szükséges minimális ellenállás: Rmin =Ugmax/Imax –ra adódik. Ha a karakterisztika nem áll rendelkezésre, a bonyolult numerikus módszereket elkerülendő, az ú.n. dióda helyettesítő képeket használjuk. A számolásokat, megfontolásokat ekkor, a valódi helyett, egy egyszerűbb tulajdonságokkal rendelkező, idealizált diódamodellen végezzük. Gyakran, egy kapcsolást elemezve, csak arra vagyunk kíváncsiak, hogy adott körülmények között a dióda üzemel-e (nyitva van-e vagy sem). Erre az ideális dióda modellje (ideális dióda helyettesítő kép) a legalkalmasabb, mely csak a kapcsolószerű viselkedést jeleníti meg, elhanyagolva a nyitófeszültséget és más üzemi jellemzőket. A diódát ebben rövid zárnak tekintjük, ha nyitóirányú és szakadásnak, ha záróirányú vagy nulla feszültség esik rajta. Az erős közelítés a modellt számolásokra alkalmatlanná teszi, szemléletes és jól használható kapcsolások működésének elemzésekor. A képen az ideális dióda képe és karakterisztikája látszik. Működése kétállapotú, vagy nyitott, vagy zárt. Az ideális dióda helyettesítő képének nyitófeszültséggel való bővítésével kaphatóa dióda általános helyettesítő képe. Ez egy ideális dióda és a nyitófeszültséget reprezentáló feszültséggenerátor együttese. A generátor jelentése teljesen képies, mindössze a számolást egyszerűsíti. Feszültésgének mérőiránya a diódán nyitóirányban eső feszültségével azonos, hiszen úgy is tekinthetjük, hogy a modell generátora olyan feszültséggel bír, melyet a külső feszültségnek meg kell haladnia ahhoz, hogy az ideális dióda kinyithasson. Az ideális dióda csak akkor nyit ki, ha anódja pozitívabbá válik, mint a katódja (Ud >UON ), más esetben a diódán nem folyik áram. Tehát csak a dióda pozitív nyitófeszültsége esetén vagy a felett van értelme a példában számolni, alatta a kör szakadtnak tekinthető. A modell még tovább pontosítható az üzemi helyettesítő kép bevetésével, mely a grafikus megoldásnál is pontosabb lehet. Ehhez azonban egy további paraméter ismerete szükséges. Egy szabadon választott munkapont igen kicsi (akár végtelenül kis) környezetéről mindig feltehető, hogy abban a görbe egyenessel közelíthető. Ebben a parányi tartományban a kis U, I értékek viszonylatában – azaz a kis megváltozások számára a diódát állandó ellenállással jellemezhetjük. Ezt a pontonként eltérő értékű ellenállást nevezzük dinamikus ellenállás nak (rd). Fogalma különösen jelentékeny váltakozó áramú viselkedés vizsgálatakor, tranzisztorok esetében is.

8

Elektronika 2 Jegyzet Értékét a munkapont elegendően kicsi környezetével definiáljuk (az Ohm-törvény R=U/I összefüggése alapján):

Tekintve, hogy a diódaegyenletet a fentebbi I(U) alakban ismertük meg, a dinamikus ellenállás más formában is kifejezhető:

A fenti összefüggést felhasználva:

Azaz:

Ahol UT a termikus feszültség. Az eredmény igen fontos, azt fejezi ki, hogy a dióda dinamikus ellenállása egy adott pontban egy elméletileg meghatározott konstans feszültség és az aktuális áram hányadosaként kiszámítható. Értéke a kifejezés alapján a görbe felső szakaszán néhány Ohm vagy kevesebb, míg a lezáráshoz közeledve végtelenné válik. Az üzemi helyettesítő kép az általános helyettesítő kép további pontosítása. A dióda munkapontja (M) – az alkalmazás elvárásainak megfelelően – általában a karakterisztika meredek, látszólag egyenesen felfutó szakaszán található. Nyilván, az ehhez tartozó üzemi feszültség (Ud) nagyobb d lesz, mint a nyitófeszültség (UON). Míg az általános modell csak a nyitófeszültséggel számolt valamennyi munkapont esetén, az üzemi helyettesítő kép a nyitófeszültség és a tényleges üzemi feszültség közötti kis eltérést is figyelembe veszi. A modell feltételezi, hogy nyitófeszültség alatt most sem folyik áram, felette azonban az üzemi áramot nulláról UON és UÜ között a feszültséggel egyenesen arányos módon (kék szaggatott vonal mentén) éri el. Ekkor a diódán eső feszültség:

Alakban írható, ahol UON, rd is ismertnek tekinthető adatlap vagy korábbi mérések alapján. Mivel a diódán működés közben Id áram folyik, az üzemi helyetessítő kép, az általános modell a dinamikus ellenállással való kiegészítésével adódik. Nagyobb pontosság és a szükséges adatok ismerete esetén használatos.

9


A dióda váltakozó áramú helyettesítő képe A dióda egyenáramú helyettesítő képe az egyenáramú munkaponti paraméterek meghatározására alkalmas, arra a kérdésre válaszolva, hogy az általunk várt működéshez a diódán mekkora egyenfeszültségnek kell esnie és mekkora egyenáramnak kell folynia Tegyük fel, hogy az eredetileg egyenáramú tápfeszültség (Ug), ami egy munkapontot állít be, most mégsem állandó (Ug’) tartalmaz valamilyen kis amplitúdójú váltakozó jelleget, jelet (ug). Például az eredetileg stabil 5V most 4.5-5.5V között ingadozik. Ez a viselkedés természetesen az áramkör valamennyi mennyiségére hatást gyakorol (Ud’, UR’, Id’) hiszen úgy is tekinthetjük, hogy időpillanaton ként szemlélve más és más egyenfeszültségű tápot lát a hálózat. Fontos, hogy az egyes mennyiségek a szuperpozíció elve alapján két függetlenül tárgyalható feszültségforrásból származó járulékként kezelhetők: az eredeti konstans (munkaponti) érték és az erre additívan „ülő” váltakozó rész (Ud’= Ud0+ ud, UR’= UR0+ uR, Id’= Id0+ id) A későbbiekben is jelentékeny lesz, hogy a dióda a munkapontja körül hogyan viselkedik ezzel az időfüggő komponenssel szemben. Ezt legkönnyebben a váltakozó áramú helyettesítő kép segítségével vizsgálhatjuk meg. Mivel a váltakozó rész nagysága többnyire kisebb, mint a munkaponti mennyiségek, szokás ezt a képet kisjelű helyettesítő képnek, az ezzel végezhető számításokat pedig kisjelű vizsgálatnak is nevezni. Kisjelű helyettesítésnél az eredeti kapcsolást úgy rajzoljuk át, hogy benne csak a váltakozó mennyiségek, az áramköri elemek helyett pedig azok kisjelű helyettesítő képei szerepeljenek (pl. elég nagy kapacitású kondenzátor helyett rövidzár rajzolható). A kapott kapcsolást már a szokásos módszerekkel kiértékelhetjük, azt szem előtt tartva, hogy eredményeink is váltakozó jellegűek, vagy arra vonatkozóak lesznek.R A kérdés az, hogy a dióda munkaponti feszültségének elemi megváltozása hogyan arányul az áram megváltozásához és ezt milyen egyszerűsítő képpel közelíthetjük. Korábban rámutattunk, hogy a munkapont elegendően szűk környezetét lineárisan közelítve az áram- és a feszültségdifferenciák között a dinamikus ellenállás teremt kapcsolatot. ez egyben a dióda váltakozó áramú helyettesítő képe is.

10


Gyakrabban használt diódatípusok A diódák többsége egyetlen p-n (PN) átmenetet tartalmaz, melynek tulajdonságait (szennyezéseinek anyagát, mértékét, eloszlását és geometriai kialakítását) specializálva számos típus alakítható ki. A katódot minden esetben megkülönböztetik, általában feltűnő színezetű sáv azonosítja. Elterjedt a p-i-n (PIN) struktúra is, melyben a p és n rétegek közé egy vékony i-típusú réteget is elhelyeznek. Mivel az intrinszik kristályszerkezet valójában szigetelő, a művelettel kiürítési réteget szélesítik ki, így a diódaműködés is magasabb feszültségek mellett valósul meg (magas (~10kV) feszültségű egyenirányítók). A nagyobb sebességű töltéshordozók nagyobb működési sebességet biztosítanak, így a struktúra nagyfrekvenciás és optoelektronikai alkalmazásai is jelentősek Egyenirányító- vagy teljesítménydióda (rectifying- or powerdiode). Tápegységekben, váltakozó feszültség egyenfeszültséggé alakítása során használatos. Rövid ideig (impulzus üzemben) nagy áramokat is elvisel. Általában szilíciumalapú, a feléledési idő (recovery time) - azaz annak az időnek a hossza, amíg a dióda egyik stabil (záró- vagy nyitó-) állapotából a másikba jut – ennél a típusnál hosszabb (10-100 ns). Nagyobb teljesítmények (>50 A) esetén fémtokot és menetes csatlakozóaljzatot használnak. A fémborítás a melegedést, a menetes csatlakozási felület pedig a kontaktus ellenállását csökkenti. Jelölése a diódák általános jelölésével egyező. Nagyfrekvenciás kapcsolódióda (switching diode). Nagy sebességű kapcsolási- és kis feléledési idő (10-100 ps) jellemzi. Leginkább rádió frekvenciás jelek egyenirányítására és kisteljesítményű jelformáló alkalmazásokban gyakori. Alacsony áramot képes elviselni, de létezik nagyfeszültségű kivitelben is. Jelölése a diódák általános jelölésével azonos. Kapacitásdióda/varaktor/varikap (capacity diode/varactor/varicap). Záró irányban előfeszítve használják. A kiürített réteg üres, a kisebbségi töltéshordozók a kristály anód és katód megfelelő térfelére szeparálódnak. Ennek a kondenzátorhoz hasonló struktúrának feszültséggel szabályozható – többnyire hiperbolikus skálán - a kapacitása 0.1-100pF tartományban. TV, URH (50-500 MHz-es rezgőkörök) hangolására használják. Zener diódák (Zener diode). Olyan különleges diódák, melyek a letörési tartományban is károsodás nélkül használhatók a záró irányú áram megfelelő korlátozása mellett. A letörési tartomány rendkívüli meredeksége az áram nagyobb megváltozásához alig mérhető feszültségváltozást rendel, azaz itt a dióda képes akár ugrásszerűen megnövekedett áramot is úgy elvezetni, hogy a dióda feszültsége alig változik. Emiatt kiválóan alkalmas feszültségstabilizáló és korlátozó kapcsolások létrehozására. A letörési tartományt párhuzamosan véletlenszerű folyamatok is jellemzik (lavina effektus, erős szennyezések elektrosztatikus emissziója), emiatt a Zener dióda kismértékű elektronikus zajt is megjelenít, sőt, megfelelő kapcsolásban akár zajgenerátorként is használható. Ha ez nem kívánatos, a jel spektrumának utólagos szűréséről gondoskodni kell (pl. kondenzátor csatlakozási lehetőség. toros „hidegítés”). Alagútdióda (tunnel diode). Túladalékolt p-n rétegeket tartalmaz, melyek esetén, átlapolódnak az egyes oldalakra jellemző energiasávok. Az erős szennyezés az átmenet körüli kiürített réteget elvékonyítja, ahol nagy potenciállépcső épül fel. A nagy térerő külső feszültség nélkül létrehozza a Zener-effektust. A kialakuló áramot azonban egy különös ellentétes áramösszetevő egyenlíti ki. A szűk kiürítési rétegen keresztül a kvantummechanikából ismert alagút effektus (véges valószínűséggel energetikailag kevésbé várható események is bekövetkezhetnek) az n-oldal elektronokkal betöltött vezetési sávjából képes egyeseket a p-oldal sávjának hasonló energiájú, „üres” állapotaiba juttatni, így az oldalak között

11

Elektronika 2 Jegyzet töltéshordozókat cserélni. A dióda nyitóirányú karakterisztikája emiatt rendhagyó, olyan szakasszal is rendelkezik, amihez negatív dinamikus ellenállás rendelhető. Ez a tartomány erősítésre, több 10 GHz-es rezgések, gyors kapcsolások (ps) megvalósítására használható. Schottky dióda (Schottky diode). Speciális belső felépítésű, fém félvezető átmenetet tartalmazó, Ge alapú eszköz. Tulajdonságaiban az ideális diódát leginkább megvalósító típus. Szivárgó árama és feléledési ideje elhanyagolható (egyes típusok több GHz-ig használhatók), így a késleltetésből származó torzítás sem jelentős. Nyitófeszültsége 0.3-0.4V, digitális áramkörökben integrált formában nagyon elterjedt, de szokásos tokozással és SMD kiszerelésben is kapható. Fotodióda (photodiode). Záró irányú előfeszítés mellett használhatók. Leggyakrabban PIN (p-i-n) vagy APD (Avalanche Photo Diode –Lavina fotodiódák) szerkezettel rendelkeznek. A PIN diódákban az i-réteget a felszínhez közel, azzal párhuzamosan valósítják meg, olyan anyagszerkezeti tulajdonságokkal, mely fény hatására párkeltésre képes. A beékelt réteggel a kiürítési zónát terjesztik ki, amely így nagy előfeszítés mellett gyors töltéshordozókat tartalmaz és rövid kapcsolási időt biztosít. Fényhatás nélkül a záró irányú feszültség a diódát zárva tartja. Ha az átmenetbe fotonok érkeznek és nyelődnek el, a generált töltés-hordozók a megfelelő polaritások felé vándorolnak, foto áramot hozva létre (a dióda vezetni kezd). A dióda vezetőképességét végeredményben az i-rétegben az infravörös (IR) fotodiódákat jellemzi. A jobbra látható (háromlábú) fotodióda fényelektromos tulajdonságai határozzák meg. Esetenként az átmenetet is kialakíthatják, hogy az fényelemként használható. Az APD diódákat a letörési tartományban, a lavina effektust kihasználva alkalmazzák. A kiürített réteg kiterjesztését itt nem újabb réteggel, hanem még nagyobb záró irányú feszültséggel érik el. A folyamat megfuttatásához aránytalan mértékben felszaporodott töltések limitálják, lecsökkentve azt a szabad úthosszt, melyen a párkeltéshez elegendő gyorsulás megvalósulhatna. Mivel akár egyetlen elektron is végállapotba billenthet bizonyos típusokat (Egy foton lavinadióda vagy SPAD– Single Photon Avalanche Diode), így igen gyenge jelek detektálására alkalmas. Az APD-t emiatt leginkább a fény jelenlétének detektálására, mindsem teljesítményének mérésére használják. Erősen nemlineáris, mert amíg pl. a PIN dióda jele a beesett fotonok számával jól arányosítható, addig a lavina diódák önerősítése jóval nagyobb áramot eredményez, mint amennyi a beeső fotonok számából következne (jelek detektálásakor ennél a típusnál utóerősítőre általában nincs is szükség). Emellett működése a lavina effektus révén erősen hőmérsékletfüggő és bizonyos sztochasztikus elektromos zajjal is terhelt. A termikus hatásokat azonos tokba szerelt (és így azonos hőmérsékletű) diódával szabályozzák, de a tok is rendelkezhet külön hőszabályzó rendszerrel. Feléledési ideje gyors, 20-50 ps. Felhasználási területe a foto elektron sokszorozókéhoz (photomultiplayer) hasonló, bár rövid fényimpulzusok (<10 ns) esetén az utóbbiak hatékonyabbak. A PIN és az APD azonos sebességű eszközök, alapvető különbséget az érzékenység és a stabil munkapont létezésének kapcsán tehetünk. Az APD nagyon gyenge jeleket képes detektálni, de analóg jelátvitelre - szemben a PIN szerkezettel - nem alkalmas. LED-ek (Light Emitting Diode). A fotodiódák inverz működését valósítják meg. A rekombinációs folyamatok során felszabaduló energia egy része itt elektromágneses sugárzás formájában jön létre. Manapság már szinte a teljes spektrumot, a mikrométeres (infravörös) tartománytól egészen a „fekete fény”-ig, azaz nagyjából 300 nm–ig kb. 10-20 nm közökkel lefedő LED-ek kaphatók. Bizonyos színeket ritka, vagy bonyolult reakciókapcsolatok idéznek elő, emiatt ezek ára esetenként kiugróan magas lehet (pl. bizonyos UV LED-ek). A szennyezésre jellemző annak elektronszerkezete, így azt gerjesztve az anyag szűk sávszélességgel jórészt egy hullámhosszon sugároz. Ezért volt érdekes az első fehér színű LED-ek megjelenése, melyek a látható tartomány minden hullámhosszán sugároznak. Valójában ezek olyan ultraibolya LED-ek, melyek a fénycsövek elvét követve a gerjesztett foszfor spektrumát használják a látható tartomány lefedésére. A tökéletes fehér fény esetén a spektrum burkolója vízszintes egyenes lenne. A valóság tehát messze esik az ideális esettől, ezt néhány alkalmazás tervezésekor nem árt figyelembe venni.

12

Elektronika 2 Jegyzet A hagyományos LED-ek, két lábbal rendelkeznek, ezek közül a hosszabb láb az anód, tehát a normál működéshez ennek kell pozitívabbnak lennie. A LED belsejében ez a két elektróda két, üllőhöz hasonló fém alkatrészen keresztül csatlakozik a félvezető lapkához. A félvezető lapkát epoxi burkolat veszi körül, melynek jellege lehet opálos és teljesen víztiszta is. Törésmutatója és geometriája a belső visszaverődések révén az elvárt sugárzási térszögre van optimalizálva, így az eredmény jelentősen módosulhat más közegben (pl. víz alatt, másik műanyagba öntve, stb). A kétszínű LED valójában két félvezető lapkát tartalmaz, ezek közül vagy az egyik, vagy a másik aktív, attól függően, hogy a közös földponthoz képest melyik oldal lába pozitívab Az RGB (Red-Green-Blue) LED-ek a három alapszínt egyszerre képesek megjeleníteni, így a szem számára tetszőleges színérzet kikeverhető. Négy és hatlábú kivitelben létezik, aszerint hogy az egyes színek feszültségeit a közös földponthoz értjük, vagy egymástól függetlenül kezeljük. A szórakoztatóiparban és irodatechnikában terjedtek el a nagyteljesítményű világító LED-ek, melyek fényerőssége akár a 10000 cd-t is elérheti (ennyi gyertya fénye egyetlen pontban). Hűtésükről gondoskodni kell. Lézerdióda (laser diode). A LED-ekhez hasonló működésű, többrétegű félvezető struktúra, mely a lézerműködéshez szükséges optikai visszacsatolást is tartalmazza. Karakterisztikája teljesen kapcsoló jellegű, olyan meredek, hogy a dióda termikus hatásai ellehetetlenítik a stabil munkapont beállítását. Kizárólag áramgenerátoros, hő kompenzált tápáramkörrel működtethető. Ezt a többnyire kisméretű, SMD kiszerelésű vezérlő áramkört (laser diode driver) néha hozzáépítik a diódához, de külön is megvásárolható. Mindig érdemes a ’driver’-t illetően a forgalmazó javaslatát kérni az adott típushoz és teljesítményhez. A dióda önmagában még széttartó lézerfényt bocsát ki, ezért megfelelő optikával (lencsével) is el kell látni. Ekkor dióda-modulról beszélünk. Az ipari félvezető lézerek teljesítménye a több 10 KW-ot is meghaladhatja, ám az emberi szemre már 5 mW tartós besugárzás is káros. Ezért különösen veszélyesek a nem látható tartományok sugarai, melyeket főként vágásra(infravörös), ill. felületek mikroszkopikus megmunkálására (ultraibolya) használnak! (~1.2mm nyalábátmérő, ~1.2 mrad/m divergencia és 532 nm látható (zöld) hullámhossz esetén. A szem érzékenysége közelítőleg erre maximális. A lézertechnológiában az elérhető színek korlátozottak és a rövidhullámú tartomány felé (zöld, kék, UV) egyre ritkábbak. Az ilyen színű félvezető lézerek többsége másodlagos rezonáns kört tartalmaz, amelyben a könnyen elérhető nagyteljesítményű infravörös diódalézer fényét egy nemlineáris frekvenciatöbbszöröző kristály konvertálja rövidebb hullámhosszra, kb. 10% hatásfokkal. A fennmaradó teljesítmény a kimenő fény megszűrése révén a tokban marad, emiatt a megfelelő hűtésről gondoskodni kell (pl.: hűtőborda). A szűretlen fény különösen veszélyes! Esetenként a konverzió csak rövid, de nagy energialöketek mellett, impulzus üzemben képes megvalósulni, így lehetséges, hogy a kimenő fény nem folytonos hullámú (Continuous Wave, CW), hanem szaggatott (Pulsed Wave, PW). A szükséges elektronikát a diódamodulok tartalmazzák. Diódák alkalmazásai Az üzemjelző LED-ek (hűtő, tv, stb.), a mobiltelefon töltők, tápegységek egyenirányító diódái, feszültség stabilizátorai, vágókapcsolásai ismeretlenül is mindennapjaink szerves részei. A diódák használatát, működésének mélyebb megértését egyszerű alkalmazásokon, példákon keresztül mutatjuk be, érintve a diódás egyenirányító-, vágóés feszültségstabilizáló alkalmazásokat. LED-ek használata Jelzőfények. Egy alkalmazás állapotának optikai megjelenítésére a LED kiválóan alkalmas. Kis méret (12-, 5-, 3mm átmérő vagy SMD), kis fogyasztás (üzemi áram <20 mA) és hosszú élettartam (>20000h) jellemzi. Bekötése egyszerű, kevés újabb alkatrészt igényel. Legyen adott egy alkalmazás két olyan kivezetése, ahová a diódát kötni szeretnénk. Az is feltehető, hogy az általunk elvárt működési tartományban a kivezetések között polaritás helyes, a nyitó feszültséget meghaladó potenciálkülönbség van jelen. Mivel bármilyen, egy másik hálózathoz mindössze két ponton csatlakozó elektromos hálózat helyettesíthető egy feszültséggenerátorral és egy vele sorosan kötött (kimeneti) ellenállással (Thevenin tétele), a hálózatot, amihez a diódát kötni akarjuk, elég csak ezen keresztül figyelembe venni, függetlenül annak bonyolultságától, belső felépítésétől.

13


Diódás vágókapcsolások

A diódás vágókapcsolások jelformáló alkalmazások. a bemeneti jel bizonyos meghatározott, korlátozott részét képes előállítani, természetesen tetszőleges jelek esetén.

A soros diódás vágókapcsolás:

+12v

R1

0v -12v

7,5v

+ 4,5v -

Azt kell észrevenni, hogy a dióda záróirányban van előfeszítve az Uv vágófeszültséggel (a példában 4,5V) Ha a bemenet feszültsége kisebb, mint a vágófeszültség, mindkettőt az alsó vezeték potenciáljához képest értjük, a dióda zárva van (közelítve szakadás), a kimeneten csak a vágófeszültség jelenik meg. Ha a bemenet feszültsége nagyobb, mint a vágófeszültség (és valós esetben még a nyitófeszültséget is bele kell számolni) a dióda kinyit, a bemenet a vágófeszültségehez képest az R1-en esik, létrehozva a kimenetet.

Párhuzamos diódás vágókapcsolás: 6v

3V

R 3V

A kapcsolás annyiban különbözik a soros kapcsolástól, hogy itt az előfeszített dióda párhuzamosan van kötve az ellenállással. Ez azt eredményezi, hogy mikor a dióda zárt állpotban van ( a jel nem éri el a vágófeszültséget), a bemenet közvetlenül megjelenik a kimeneten is. Ha a bemenet feszültsége pozitívabb, mint a vágófeszültség, a dióda kinyit. Váltakozó szempontból azonban a feszültséggenerátor rövidzárként viselkedik. (a belső ellenállás elhanyagolható), így a jel „elveszik” rajta. Ezt szokás úgy mondani, hogy a dióda nyitása „kisöntöli” az ellenállást. A kimeneten ilyenkor csak a vágófeszültség jelenik meg.

14


R1 6v

R2

3V

3V

Ez a kapcsolás egy másik példa a párhuzamos kapcsolásnak. Ez a kimeneti jel vízszintes tükörképét szolgáltatja. Fontos, hogy mind a dióda, mind a vágófeszültség iránya megfordul. A dióda akkor lesz nyitva, amikor a bemenet negatívabb mint a dióda egyébként negatív anódja( mert ilyenkor a dióda anódja pozitívabb mint a katódja). Nyitóállapotban ennél is csak a vágófeszültség látszik. a kimeneten, ami most negatív értékű. Minden más esetben a dióda lezár. a szakadás nem befolyásolja a jel kimeneten való megjelenítést.

Határloló vágókapcsolás: R1 5V D1

D2 R2

3V

-3V

Az előző két vágókapcsolás egyesítése. A működése is hasonló mint az előzőeké. A két dióda itt fordíva dolgozik. Amikor a bemenet pozitívabb, mint a pozitív vágófeszültség, akkor D1 kinyit D2 lezár, és fordítva. Ha a bemenet feszültsége a két vágószint közé esik, mindkét dióda zárt állapotban van, a bemenet pedig a kimenetre kerül. Mivel ezzel a kapcsolással a jel nagysága mind negatív, mind pozitív irányban korlátozható, nevezik határóló, „limiter” kapcsolásnak.

15


Diódás egyenirányítók Manapság már rengeteg elektromos árammal működő eszközt használunk. Ezen eszközök többségének szüksége van egyenáramra. Egyenirányítóra azért van szükség, hogy a hálózaton keresztül kapott váltakozó áramot egyenárammá alakítsa át. Azt az esztközt ami a hálózatból kapott váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé és egyenárammá alakítja át tápegységnek nvezzük.

Tápegyég: Transzformátor blokk

Egyenirányító blokk

Szűrő blokk

Stabilizátor blokk

Az ábrán látható benneti nyíl egy váltakozó bemenetet jelöl, ilyen például a lakásokban található konnektor. Transzformátor blokk: A transzformátor feladata, hogy valamilyen irányban transzformálja a feszültséget. Álltalában lefelé transzformálásra van szükség. A transzformálás mértékét az egyenirányító blokkhoz mérten állítják be, hogy az megfeleljen az egyenirányító blokk alkatrészei számára. Így tehát ugyanolyan frekvenciáju de kisebb amplitúdójú jelet kapunk. Egyenirányító blokk: A kapott, letranszformált váltakozó jelből az egyenirányító blokk többnyire még mindig váltakozó jelet állít elő, de már csak egyféle polaritással. A példában bemutatom az egyutas egyfázisú egyenirányító működését:

Ube

U be

Ube Uki

Ube Uki

Bemeneti szinuszosan váltakozó feszültség.

Kimeneti vágott feszültség a dióda feszültségének figyelembe vétele nélkül. Kimeneti vágott feszültség a dióda feszültségének figyelemebe vételével. A dióda nyitóírányú feszültsége: Ud=0.7 (Szilícium dióda esetén) Uki=Ube-U d A kimeneti ábra Ud feszültségével lefele tolodík. Kimeneti jel váltakozo feszültségű összevetője puffer kondenzátorral csökkentve. Puffer kondenzátort az esetek többségében használnak diódás egyenirányítók kimenetére kötve, a terheléssel párhuzamosan. Jellemző kapaciáta: 42000 µF – 100000 µF Jellemző típus: elektrolit kondenzátor

16


Szűrő blokk: A szűrőblokk feladata az egyenirányított tápegységben még fellelhető frekvenciazavarokat enyhíteni. Stabilizátor blokk: A stabilizátor blokk fele lérte, hogy a tápfeszültség és a tápáram állandó legyen, vanna ugyanis olyan berendezések amik megkövetleki ezt. Az esetek többbségében viszont nincs szükség stabilizátorra. Diódás (egyutas, egyfázisú) egyenirányító kapcsolás C

A d1

D

B

Diódás (egyutas, kétfázisú) egyenirányító kapcsolás C A d1

d2 B

D

A Graetz- hidas (egyutas, kétfázisú) egyenirányító kapcsolás A d1

d2 C d3

B

A d1 dióda minden olyan félperiódusban kinyit , ahol nyitóirányú feszültséget kap, azaz amikor A pont pozitívabb mint B. Ilyenkor a dióda rövidzárként összeköti az A-C pomtokat. A C-D feszültsége tehát megyegyezik az A-B pontokéval. Amikor A negatívabb mint B, a dióda lezár, szakadásként viselkedik. Az ellenálláson sem áram sem feszültség nem mérhető.

d4

Azt kell észrevenni, hogy az A-B polaritásváltása a d1-d1 diódák felváltott működését eredményezi. Ha A pozitívabb mint B, d1 anódja pozitív, sőt katódja csak negatívabb lehet. Ennek eredménye képpen kinyit, így az A pontot összeköti a C ponttal , a benenet pedíg megjelenik a kimeneten. A d2 dióda ugyanekkor szakadásként viselkedik. Ha B pozitívabb mint A, a fordított eset következik be. A d2 dióda nyit és a d1 zár. Fontos, hogy megfigyelve az áramirányokat, a C-D pontok között mindkét esetben ugyanolyan irányba folyik az áram, azaz mindkét félperiódusban pozitív feszültség mérhető. Ebben a kapcsolásban, csakúgy mint a következőben, mindkét félperiódus részt vesz az egyenirányításban, ezért a „kétfázisú” jelző. A működés az előzőekhez hasonlítható, csak itt az egyes félperiódusok d2-d3 és d1-d4 diódapárok nyitásai okozzák. Ha A pozitívabb mint a B, a rendszer legpozitívabb pontja d2 anódja és a d1 katódjára esik. Az d2-t nyitja , d1 -et zárja.Ugyanakkor a hálózat legnegatívabb pontja a d3 katódjára és d4 anódjára esik, így a d4 zár, a d3 pedíg nyit. Összegezve, ha A pozitívabb mind B, d2d3 nyitva, d4d1 pedíg zárva van. Hasonlóan végigkövethető a folyamat fordított polaritásnál is. Ekkor a d1d4 van nyitva és d2d3 zárva.

D

A fenti kapcsolások kimenetei már nem váltanak előjelet de mégsem lesznek egyenfeszültségek. A változó jelleg (búgó komponens; búgófeszültség) tompítására a terheléssel párhizamosan olyan kondenzátor köthető, mely lassú kisülésével kompenzálja az ingadozást. Ezt az egyenirányító blokk résznél az utolsó ábra szemléltei.

17


Zener Diódás feszültség stabilizátor Kismértékű feszültség stabilizálásra hagyományos diódát is alkalmazhatnánk, a diódát nyitó irányba előfeszítve!

(1.a.) Dióda nyitó irányban előfeszítve

(1.b.) Dióda nyitó irányú karakterisztikája

Amíg a bemeneten a feszültség nem változik, vagyis a beállított feszültség Um (munkaponti feszültség) és a beállított áram Im (munkaponti áram) mérhető, addig a dióda munkapontja a karakterisztika sárgával jelölt (M0) részén található. Amint a bemeneti feszültség megváltozik, a dióda nyitó irányú karakterisztikáján (1.b. árba) jól látszik, hogy mi történik. A munkapont eltolódik, ezáltal viszonylag nagymértékben változik a dióda árama (I[mA]) és viszonylag kis mértékben változik a kimeneti feszültség (UKI). Tehát a dióda igyekszik elvezetni a megnövekedett feszültség hatására fellépő többlet áramot, így stabilizálva a kimeneti feszültséget. Az, hogy mekkora bemeneti feszültség ingadozás hatására mekkora kimeneti feszültség ingadozást tapasztalhatunk, az a dióda dinamikus ellenállásától (rd) függ. Ez az érték Zener diódák záró irányú karakterisztikájánál sokkal kisebb, mint a hagyományos diódák nyitóirányú karakterisztikáján. Feszültség stabilizátorok építéséhez ezért Zener diódákat használnak.

(2.a.) Zener dióda záró irányban előfeszítve

(2.b.) Zener dióda záró irányú karakterisztikája

A 2.b ábrán látható a Zener dióda záró irányú letörési karakterisztikája. A szürkével jelölt Id(min) és Id(max) közötti tartományban használatos. Id(min) alatti tartományban a karakterisztika már nagyon eltér a lineáristól, Id (max) feletti tartományban pedig a nagy áram tönkreteheti a diódát. Nagy teljesítményű (nagy áramú) Zener diódákat hűtéssel látnak el. Számításokhoz a diódát a helyettesítő képeivel ábrázoljuk.

18


Váltakozó áramú szempontból a kisjelű helyettesítő képet alkalmazzuk. Ezzel a megoldással pl. a kimeneti feszültség változását (ΔUKI) határozhatjuk meg a bemeneti feszültség változásához (ΔUBE) képest. Egyen áramú szempontból a nagyjelű helyettesítő képet alkalmazzuk. Ezzel a megoldással pl. a Kimeneti feszültséget (UKI) határozhatjuk meg egy ismert bemeneti feszültséghez (UBE) képest.

3.a. Kisjelű helyettesítő kép

3.b. Nagyjelű helyettesítő kép

Feladatok: 1. feladat

Első lépésben behelyettesítjük a Zener dióda nagyjelű helyettesítő képét.

Felírjuk a bejelölt 1. hurokra Kirchhoff hurok törvényét: UR-Ud(z)-Id *rd=0 Felírjuk a bejelölt 2. hurokra Kirchhoff hurok törvényét: I*Re+Ud(z)+Id *rd-Ue=0 Felírjuk a bejelölt szürke pontra Kirchhoff csomóponti törvényét: I-Id-Ig=0

19


A fenti 3 egyenletből kifejezzük

UR-t: UR=Ud(z)+rd *

A kifejezésbe behelyettesítés után a következő eredményt kapjuk:

UR=12,456 V

Ez igen kis mértékben tér el Ud feszültségétől, vagyis a kapcsolás Ud feszültségre igyekszik stabilizálni Ug feszültséget. 2.

feladat

Első lépésben behelyettesítjük a Zener dióda kisjelű helyettesítő képét.

A kimeneten lévő RL ellenállással párhuzamosan kapcsolódik rd. Kiszámítjuk az eredőjüket. rdxRL=

a behelyettesítés után rd xR L=3,85Ω

Ez alapján számítjuk ±ΔUKI értékét. ±ΔUKI=±ΔUg*

=±0,1 V

Láthatjuk, hogy a bemeneten lévő ±ΔUBE=±2,4 V –ról ±ΔUKI=±0,1 V-ra csökkent a feszültség változása, vagyis a kapcsolás stabilizálta a váltakozó feszültséget!

20


Bipoláris tranzisztor Valamikor

az

ötvenes

évek

közepén

a felületfizika kiemelt kutatási területe volt a félvezetők felületi vezetési tulajdonságainak vizsgálata. A vizsgálatokat két tűszondával végezték, melyeket az ábra 1-essel és 2-essel jelöl. A kristály a szürke elem. Felhasználtak még 2 telepet (T1, T2) és 3 árammérőt. Ha az ábrán bejelölt polaritásokat alkalmazták, akkor az 1-es és 2-es árammérő árama közel ugyanaz volt, míg a 3-as árammérőn elenyészően kicsi áram folyt. Az 1-es és 2-es árammérők árama jelentősen függött T1 telep feszültségétől, de alig T2 telepétől. A Bell laboratórium munkatársai felismerték, hogy utóbbi jelenség alkalmas feszültség erősítésre is, mivel kis bázisemitter feszültség változás hatására nagy kollektor áram változás jön létre, amit egy ellenállás beiktatásával nagy feszültség változássá alakíthatunk. A pnp és az npn tranzisztorok mai felépítésének sematikus rajza és rajzjele:

a. sematikus rajzok

b. rajzjelek

A rétegtranzisztor a pn átmenetek szempontjából két, egymással szembefordított diódának is tekinthető. Ezek után 3 réteget kapunk: Emitter (E), Bázis (B), és Kollektor (C). A ábrán egy npn rétegtranzisztort láthatunk

. • Normál aktív üzemmód: mivel a bázistartományt olyan vékonyra készítik, hogy az elektronoknak csak elenyésző része rekombinálódik, így nagyobb hányadukat a kollektor feszültsége áthúzza, a bázis áram nagyságrendekkel kisebb lesz, mint a emitter áram, ami

21


ezért Kirchhoff csomóponti törvénye miatt szinte egyenlő a kollektor árammal. Az imént leírt működést normál aktív működésnek nevezzük. A kollektoráram és bázisáram arányát normál áramerősítési tényezőnek (h21e, hfe, bn, β) nevezzük •

Inverz

aktív

működés:

ha

a

tranzisztor

kollektor

és

emitter kivezetéseit felcseréljük, szimmetrikus mivolta miatt így is használható. A gyártók viszont a tranzisztor tulajdonságait normál aktív működésre optimalizálják illetve korlátozzák, ezért tervezésnél érdemes ezt figyelembe venni • Lezárási üzemmód: amikor a Bázis és Emitter között nincs feszültség, akkor a közöttük található pn átmenet lezár, és a Bázis és Kollektor között fellépő jelentősebb feszültség hatására sem folyik áram vagyis a tranzisztor lezár. A feszültség amelynél ennek ellenére is kinyit az úgynevezett átütési feszültség, melyet a katalógusok tartalmaznak (pl. a BC 549-es npn tranzisztor esetén ez 30 V) • Telítési üzemmód: amikor a Bázis és Emitter között feszültség mérhető, és ez a feszültség meghaladja az np átmenet nyitófeszültségét (jellemzően 0,7 V-ot) akkor a közöttük található pn átmenet kinyit, és a Bázis és Kollektor között fellépő nyitó irányú feszültség hatására áram folyik. A rétegtranzisztorok üzemállapotait a következő táblázat foglalja össze:

Egyenáramú helyettesítő kép:

22


Ez a tranzisztor rajzjelétől csak annyiban tér el, hogy felvesszük (berajzoljuk) a feszültség és áram irányokat. A következő előjeleket kell figyelembe venni: NPN: IB>0, IC>0, IE>0, UCE>0, UBE>0, UCB>0, UCC>0 PNP: IB>0, IC>0, IE>0, UCE<0, UBE<0, UCB<0, UCC>0 Ezeket betartva a számítások során az áramok és feszültségek mindig pozitív értékűnek adódnak.

Váltakozó áramú helyettesítő kép:

Az ábrán egy NPN tranzisztor helyettesítő képe látszik, PNP tranzisztor esetén csupán az ábrán feltüntetett áramirányok voltoznak

rBE=

UT= 26 mV

UBE= 0,7 V

Létezik egy másik elterjedt váltakozó áramú helyettesítő kép is. (alsó ábra) Lényegi különbség annyi, hogy az rBE itt nem a bázisban található, hanem az emitterben értéke pedig (1+h21E)-ed része az előző helyettesítő képben használtnak, tehát: rBE=

23


Munkapont beállítási szempontok A dióda munkapontja A dióda karakterisztika egyenlete a dióda működése során lehetséges, összetartozó áram és feszültségértékeket adja meg. A tényleges működés során a dióda, ill. tetszőleges nemlineáris karakterisztikájú elem a karakterisztika egy pontjában, az un. munkapontban (operating point, quiescent point) működik. Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg

Az áramkörre felírt huroktörvény: − U t + IR + U = 0 Ebből adódik egy egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete, ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül előforduló elem „karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében. Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja Dióda váltakozó áramú (kisjelű) helyettesítő képe: •

a diódát váltakozó áramú helyesesítő képe mindössze saját dinamikus ellenállása.

•

Adott munkapontban a munkapont körüli kis megváltozások esetét írja le

•

Munkapontfüggő, különböző munkapontokban eltérő egy eszköz kisjelű modellje

•

Lineáris

•

A munkapontban a jelleggörbét érintővel helyettesíti

Bipoláris tranzisztor munkapont beállítása:

A munkapont beállításához az ábrán látható módon a jelgenerátorral sorba kapcsolunk egy egyenfeszültségű-forrást, amely a kívánt UBE0 beszültséget beállítja. A kimeneti kör polarizálását az Ur feszültségű tápegység biztosítja. Gyakorlati szempontból ennél a megoldásnál nehézséget okoz a föld független feszültséggenerátor szükségessége. Lehetőség van a szükséges egyenfeszültségek előállítására egy telepes megoldás esetén úgy, hogy az Ur tápfeszültségből állítjuk elő a bázisfeszültséget is. Ennek a megoldásnak két változata van, bázisköri feszültségosztóval, vagyis bázisosztóval, vagy bázisáram táplálással.

24


A tranzisztor kapcsaival sorba kapcsolt ellenállások szablyák meg a bemeneti és kimeneti körben folyó egyenáram nagyságát. Ha el akarjuk kerülni a nagy amplitúdójú váltakozó áramú jelek torzulását, a munkapontot a jelleggörbe egyenes szakaszának közepére kell helyezni. Ilyenkor képes a tranzisztor a legnagyobb bemenőjelet lineárisan feldolgozni. Ez a beállítás biztosítja a legnagyobb kimenőjelet, tehát a legnagyobb kivezérelhetőséget is.

Elvi kapcsolás

Jelleggörbék

Annak függvényében, hogy a tranzisztor munkapontja vezérlés nélküli állapotban a karakterisztika melyik szakaszán helyezkedik el, a következő beállításokat különböztetjük meg: -

A osztályú beállítás: a munkapont a karakterisztika lineáris szakaszán van elhelyezve (MA) és vezérlés alatt a lineáris szakaszon mozog. A tranzisztor működése lineárisnak tekinthető.

-

B osztályú beállítás: a munkapont (MB) a jelleggörbe zárási pontjában van. A tranzisztor működése csak az egyik félperiódusban tekinthető lineárisnak.

-

AB osztályú beállítás: a munkapont (MAB) az A- és B osztályú beállításnak megfelel két munkapont között helyezkedik el. A tranzisztoron a fél periódusidőnél hosszabb ideig folyik áram vezérlés esetén.

-

C osztályú beállítás: a munkapont (MC) a jelleggörbe zárási szakaszán helyezkedik el. A tranzisztoron a fél periódusidőnél rövidebb ideig folyik áram vezérlés esetén.

25

Elektronika 2 Jegyzet Bipoláris tranzisztor váltakozó áramú helyettesítő képe:

Az ábrán egy NPN tranzisztor helyettesítő képe látszik, PNP tranzisztor esetén csupán az ábrán feltüntetett áramirányok voltoznak rBE= UTIB

UT= 26 mV

UBE= 0,7 V

Létezik egy másik elterjedt váltakozó áramú helyettesítő kép is. (alsó ábra) Lényegi különbség annyi, hogy az rBE itt nem a bázisban található, hanem az emitterben értéke pedig (1+h21E)-ed része az előző helyettesítő képben használtnak, tehát: rBE= UTIB(1+h21E )

26


Tranzisztoros erősítők (FE) (FE egyenáramú és váltakozó áramú vizsgálata) A váltakozó áramú vizsgálatok már munkapontra méretezett, összeállított erősítőkre vonatkoznak. Megmutatják,hogy üzemi állapotban a kapcsolás milyen kimenetet generál a bemenet kis megváltozása esetén. A váltakozó áramú mennyiségeket kisbetűvel jelöljük, azaz, ha pl. a kollektor áram időfüggvénye valamely t időpillanatban , akkor ebben a konstans munkaponti érték és a „rajta ülő” váltakozó jelet szétválasztva: írható fel, ahol

a tisztán váltakozó rész (nincs egyértelmű komponense). A váltakozó

áramú analízist úgy végezzük, hogy a folyamatosan jelen lévő, nulla bemenetnél is fennálló statikus munkaponti mennyiségeket figyelmen kívül hagyjuk, tehát a kapcsolás működésének leírásához csak a dinamikus jellemzőket használjuk. A fellelhető csatolókondenzátorokat akkorának tételezzük fel, amelyek elegendően nagyok ahhoz, hogy a váltakozó bemenet számára rövidzárnak vehessük figyelembe.

Azért kezdjük ezzel a kapcsolással, mert lényegében ennek speciális eseteit képezik a további megismert földelt emitteres erősítők. Rajzoljuk át az áramkőrt a kisjelű helyettesítő kép alaklmazásával.

Vegyük észre, hogy a váltakozó képben Rc-nek és RB1-nek is az egyik lába a földpotenciálra került. Ezt felhasználva, tovább ekvivalens átrajzolásokkal a következő alakot kapjuk:

27


A kapott formából kitűnik, hogy a kisjelű bemenet (Ube) az rG,E és RE ellenállásokon esik, a kisjelű kimenet (Uki) pedig az Rc-n jön létre. Felírva az összefüggéseket: Ube = iE * rB,E + iE * RE Uki = -iC * RC Az előjelet a földhöz képest felvett fesüzltség és áram mérőirányok okozzák. Mivel az Rc-n folyó kollektoráram mérőirányához képest, ezt egy negatív előjellel kell figyelembe venni. Szavakkal megfogalmazott jelentése annyi, hogy a kapcsolás fázisfordító tulajdonságú, tehát a bemenet kis pozitív változása negatív kitérését fogja eredményezni. Ezek alapján a ki és bemeneti viszont jellemző üresjárati erősítés:

Ha feltételezzük, hogy hFE elég nagy, az alábbi közelítő eredmény nyerhető:

rB,E a bázis emitter dióda dinamikus elleállása: rB,E= Ur \ IB, ahol Úr=26mV. Mivel rB,E\hFE pár ohm nagyságrendű, RE pedig biztosan 10szer nagyobb, az erősítést durva közelítéssel az Rc\RE arány határozza meg. Látható, hogy a bázisosztónak nincs jelentősége az eredményre nézve, így a nem bázisosztásos esetet is teljesen hasonlóan lehet tárgyalni és ugyanezt a kifejezést kapjuk. Ha az emitter kőrben nincs emitter ellenállás, vagy azzal párhuzamosan egy kondenzátor is be van kötve, akkor RE=0 vehető, így a képeltből

Adódik. Ez már csak Rc-t tartalmazza, mint általunk befolyásolható tényezőt. Bár az erősítés ilyenkor a legnagyobb, a hFE jelentős hőmérsékletfüggése, akár meg is duplázódhat, hosszú távon elbizonytalanítja ennek becsülhető értékét.

28


A kapcsolás működése. A tranzisztor az Ra - ellenálláson keresztűl kapja azt a bázisáramot, melynek nagyságával arányosan változik a kollektor – emitter közötti vezetőképesség. A tápfeszültség (ucc) látja el a kollektort és a bázist árammal, melynek hatására a tranzisztoron a rá jellemző feszültségviszonyok alakulnak ki. Korábbi tanulmányainkból tudjuk, hogy a kondenzátorok csak a válatakozó feszültségek, áramok számára átjárhatók, az egyen mennyiségek számára nem. Ha visszaemlékszünk az analóg jeladó elvére, könnyen látható, hogy itt egy ahhoz hasonló mechanizmus érvényesül nem nulla bemenet esetén. Ha nincs bemenet, akkor a tranzisztorba befolyó bázisáram állandó, a bázis és a föld között egy jól meghatározott, szintén állandó Ubf-(bázis föld) feszültség mérhető. Ennek része a bázis és az emitter kivezetések közötti (bázis emitter) feszültség (Ube). Ez a tranzisztor egy üzemi, bizonyos mértékig nyitott állapotban tartja, így a kollektor és emitter ellenállásokon folyó Ic és Ie áramok sem változnak. Minthogy ilyenkor egyik jellemző sem változik, a kollektor kivezetés is álladó potenciálon van, így ebből a C2 kondenzátor másik oldalán, a kimeneten nem észlelünk semmit. Ha a bemenetre kis váltakozó jel érkezik, átjutva a C1-én szuperponálódik az egyébként állandó bázisfeszültségre. Ha egy kicsit megemeli a bázisfeszültséget, a tranzisztor arányosan. Jobban kinyit. A kollektor és emitter áramok növekednek, így a kollektor-ellenálláson eső feszültség nő, a kollektor-emitter feszültség csökken. Azaz a kollektor láb potenciálja a bemenet emelkedésére süllyed (a kapcsolás megfordítja a bemeneti jel fázisát). A kollektor láb potenciváltozása a C2 kondenzátoron át jelenik meg a kimeneten.

29

Elektronika 2 Jegyzet A kapcsolás működése teljesen hasonló az előző esethez, abban van eltérés, hogy a tranzisztor a bázisáramot most Rb1 áramnak egy részeként kapja, míg a maradék az Ra2-n keresztül jut a földig. Ez azzal jár, hogy Ra1 és Ra2 kisebb értékűek lehetnek. A kapcsolás stabilitása némileg növekszik, de fogyasztása is, hiszen később részletezendő elvek alapján Ra1 áramának a bázisáram kevesebb, mint 10ed része kell, hogy legyen. Ekkor a bázis stabilitása kielégítő marad függetlenül a tranzisztor állapotától.

A kapcsolás működése teljesen hasonló az előző esetkehez, a tranzisztor a bázisáramot most is a bázisosztóból kapja. Az újdonság az emitter kondenzátor, ami csak az erősítésnél játszik majd szerepet. Mivel azonban most csak az egyenáramú paramétereket vizsgáljuk, ebben a képben ezt az alkatrészt szakadással kell helyettesítenünk. Így végeredményben az előző kapcsolást kapjuk. Tehát egyenáramú szempontból a két kapcsolás között nincs lényegi különbség.

30


Tranzisztoros erősítők (FK) (FK egyenáramú és váltakozó áramú vizsgálata)

Ez az áramkőr annyiban különbözik a földelt emitteres kapcsolástól,hogy a kimenetet az Re-ellenálláson vesszük le, és nincs kollektor ellenállása. Ha a kapcsolás a munkapontban van, a kimeneti pont potenciálját a tranzisztoron keresztül közvetlenül a tépfeszültség szolgáltatja, azaz a kimeneti áramnak nincs külön korlátozó ellenállása. Emiatt sok áramot képes leadni, azaz teljesítményfokozóként használható. A bázisfeszültség kis emelkedésére az emitter áram növekszik, az emitteren eső feszültség nő. A kapcsolás tehát nem fordítja meg a jel fázisát. Mivel azonban a tápfeszültség közvetlenül s fölső n-p átmenet egyik oldalára, a másikra pedig külső és belső ellenállásokon keresztül. Így az emitter láb potenciálján mindössze a bemeneti jel ingadozása jelenik meg erősítés nélkül. Az erősítés nagysága a belső veszteségek, valamint a kapcsolás struktúrája miatt nem is egészen egyszeres, annál nem sokkal kisebb. Emiett önmagában ritkán használjuk, szinterősítő és elő, utó fokozatként fordul elő.

Az előző esethez hasonlóan berajzoljuk a kisjelű helyettesítő képet ls ekvivalens átrajzolásokat hajtunk végre.

31


Látható, hogy a kisjelű bemenet (ube) az rB,E és RE ellenállásokon esik, a kisjelű kimenet (Uki) pedig az Ren jön létre. Felírva az összefüggéseket: Ube = iB * rB,E + iE * Re Uki = iE * Re Negatív előjel most nem keletkezik, mert az Re-n folyó áram iránya megegyezik a kimeneti feszültség mérőirányával. Más szavakkal a kapcsolás egyenes (követő) erősítő, azaz nem fázisfordító tulajdonságú. A bemenet kis pozitív változása a kimenet szintén pozitív kitérését eredményezi. A ki és a bemenet közötti viszonyt jellemző üres járási feszültség:

32


Ha figyelembe vesszük,hogy hFE elég nagy és RE is jelentős (legalább 10szer nagyobb, mint rB,E),az alábbi közelítő eredmény nyerhető: Auü ~ 1. Tehát az erősítés jó közelítéssel egyszeres. Valójában egy kissé kevesebb ennél. Az áramkőr olyan erősítő, ami nem erősíti a jelfeszültséget. Van azonban egy kétségtelenül nagy előnye: a bemeneti ellenállása nagy, a kimeneti kicsi.

Azaz a bemeneti ellenállás (1+h21E)*RE-vel arányos, így a megfelelő nagyságú emitter-ellenállásal elegendő nagyságúvá tehető. A kimeneti ellenállás meghatározásához szintén a kisjelű vizsgálat eredményét használjuk fel, a bemeneten valamilyen ismert ellenállású generátort feltételezve. Ra-t ismét akkorán tételezzük fel, hogy ne folyjék rajta jelentékeny áram, az áramgenerátor pedig a kapcsolás bármely más árama számára a kollentor áramot kivéve szintén szakadásként viselkedik.

Uki felírható a generátoroldali feszültségekkel is. Az iki áramot pedig he egy uki képzeletbeli próbagenerátor következményeként kezeljük, kitűnik, hogy iki = iE vehető, iS pedig jóval kisebb mint iE, így azt el is lehet hanyagolni.

Tehát kimeneti ellenállás Rg/(1+h21E)-vel arányos. Kaptuk, hogy a bemenetre jutó terhelsének csak törtrésze jelenik meg a kimenő oldalon. Ez a tulajdonság felhasználható a különböző impedanciájú eszközök illesztéséhez is, ha a két eszköz közé egy ilyen erősítőt helyezünk. A látottak alapján jó közelítéssel nem terheli az előtte lévő kapcsolást. Ugyanakkor a kimeneten jelentős áram folyhat. Egyike a legegyszerűbb teljesítményfokozóknak. A bázisosztónak (Rb1, Rb2) itt sincs jelentősége az eredményre nézve, így itt is teljesen hasonlóan lehet elvégezni az analízist és az erősítésre ez esetben is ugyanazt a kifejezést kapjuk.

33


Teljesítmény végfokok (fajtái, kapcsolásai, fontosabb részegységei (áramvédelem, darlington kapcsolás)) OSZTÁLYBA SOROLÁS Alakhû jelátvitel céljára A vagy B osztályú végfokozatot használunk. A kettõ közötti különbség a munkapont beállításban (azaz az áramkör használatában, nem magában a kapcsolásban) rejlik. A osztályú esetben akkorára állítjuk be mindkét tranzisztor munkaponti áramát, hogy kivezérlés mellett is mindkét tranzisztor mindig normál aktív tartományban maradjon. Ez ugyan pazarlás a telepárammal (vezérlés nélkül is jelentõs áramot vesz fel a kapcsolás a teleprõl), de torzítás szempontjából előnyös megoldás. B osztályú esetben takarékosan bánunk a telepárammal. A tranzisztorok munkaponti árama zérus, azaz alapállapotban mindkét tranzisztor zárva van. Attól függõen, hogy a kimeneti jel aktuális pillanatnyi értéke milyen elõjelû, a két tranzisztor közül a megfelelõ polaritású telep felé esõt nyitjuk, a másik tranzisztor eközben lezárva marad. (Pl.: amikor az uf (t) jel pillanatnyi értéke pozitív, akkor a felsõ tranzisztoron folyik áram, az alsó tranzisztoron nem.) A B osztályú mûködés lényege tehát az, hogy egyetlen pillanatra sem folyik mindkét tranzisztoron egyszerre áram. A megoldás hátránya, hogy (két-polaritású uf(t) jelet feltételezve) a tranzisztorok idõben felváltva normál aktív, illetve lezárt állapotban mûködnek, és az átmeneti tartományban a kapcsolás transzfer karakterisztikája erõsen nemlineáris. Emiatt alakhû jelátvitel az u uf (t)= 0V érték környezetében nehezen megvalósítható. (Az oszcilloszkópos vizsgálattal is jól megfigyelhetõ jelenséget szokták keresztezési torzításnak nevezni.) A probléma feloldására a gyakorlatban AB osztályú végfokozatot használnak. Az AB osztályú végfokozat munkapont beállítása olyan, hogy igen kicsi áramot folyatunk mindkét tranzisztoron nyugalmi állapotban. Az uf (t) = 0V környezetében a mûködés A osztály jellegû (a keresztezési torzítás kisebb), nagyobb kimeneti feszültségeknél a B osztályú mûködés dominál (elõnyeivel együtt). E fejezetben az AB osztály teljesítmény-viszonyait külön nem vizsgáljuk; lényegében a B osztályra jellemzõ összefüggések érvényesek. Kapcsolásunk két tranzisztort tartalmaz, a kettőt ellentétes irányba fogjuk vezérelni: a felső tranzisztor felhúzza a kimeneti pont feszültségét, az alsó pedig le, de nem egyszerre, hanem felváltva, ellentétes ütemben. Innen ered az ellenütemű elnevezés. Egy ellenütemű végfok legkedvezőbben komplementer tranzisztorral felépíteni. Komplementernek két olyan tranzisztort nevezzük, amelynek adatai nagy pontossággal megegyeznek egymással, de ezek közül az egyik tranzisztor n-p-n a másik pedig p-n-p rétegsorrendű. Az ilyen tranzisztorok tehát ellentétes polaritású feszültségeket igényelnek, és ellentétes áramokat szolgáltatnak. A komplementer tranzisztorok gyárilag párosítottak és egy közös tokozásban gyártottak. A felső T1 tranzisztor a bemeneti jel pozitív periódusát, az alsó T2 tranzisztor pedig a bemeneti jel negatív félperiódusát fogja erősíteni. Ezzel biztosítható, hogy a kimeneti terhelésen a kimeneti teljes periódus torzítatlanul jelenik meg. Áramkörileg a T1 és a T2 komplementer tranzisztorok egy-egy emitterkövetőt képviselnek, oly módon, hogy amíg az egyik vezet, a másik le van zárva. A végfokozat vezérlés nélküli állapotban nem fogyaszt áramot, a tápáram – felvétel a kivezérléssel együtt növekszik.

34


35


A teljesítményerősítők osztályai: A teljesítmény erősítőket a szerint, hogy nyugalmi munkapontot a karakterisztikán hová teszik és ennek megfelelően a kimenő jel hogy viselkedik üzemosztályokba sorolták. Az egye üzemosztányokban a teljesítmény hatásfok és a jel formája különböző.

1 ) Az A osztályú / üzemű erősítő: A munkaponthoz képest szimmetrikus a kivezérlés. A kimeneti változóáramnak és a váltakozófeszültségnek lehetőleg minél pontosabban követnie kell a bemeneti jel alakját. Ezt az esetet A- üzemnek nevezzük. Ha nagy jelet / teljesítményt kell erősíteni, az ellenállásegyenes kihasználható szakaszának közepére helyezzük a munkapontot. Az A üzemű teljesítményerősítés hatásfoka max. 50 %.

2 ) A B üzemű / osztályú erősítő: Ennél a munkapontból kiindulva csak az egyik irányba vezérlik ki a tranzisztort. A kimenőjelnek úgy kell változnia, hogy lehetőleg pontosan egy-egy félperiódus alatt kövesse a bemeneti jelet. A jel másik félhullámát egy másik tranzisztor erősíti Ebben az esetben az ellenállásegyenes végén helyezzük el a munkapontot. . As beállítás érzékenysége miatt viszonylag nagy a jeltorzítás. Lásd a ábrán a munkaegyenesen a B – pontot. Az ilyen üzemmódot B – üzemnek nevezzük. Elsősorban ezt az ellenütemű erősítőknél alkalmazzuk. A B üzemű erősítők által max elérhető legnagyobb hatásfok 75 %.

3 ) Az AB üzemű / osztályú erősítő: M ivel a tiszta B üzemb en többny ire igen nagy torzítá sokat kapunk , sokszo r úgy állítják be a munka pontot , hogy ne érje el az ellenállásegyenes alsó végét, és a bemeneti jelleggörbe alsó könyökpontjába kerüljön. A jelet két ellenütemű tranzisztor erősíti. Ezt a munkapont beállítást AB üzemnek nevezzük. A hatásfok ilyenkor csak valamivel kisebb a tiszta B üzemben elérhető hatásfokkal.

36


4 ) A C üzemű / osztályú erősítő: Olyan csöves, vagy tranzisztoros erősítő, amelynél a bemenő jel fél periódusánák felénél ideig folyik áram, ennek következtében jelentős keletkezik. Ezt csak a rezgőkör tudja helyreállítani, csak távíró üzemben használható. Előnye a nagy hatásfok. Lineáris erősítő céljára alkalmatlan.

kisebb torzítás tehát

C üzem

Darlington kapcsolás :

Két egymással összekapcsolt tranzisztorból álló erősítő. a kollektorok össze vannak kötve, a bemenő jel az első tranzisztor bázisára kerül, ennek a tranzisztornak az emittere közvetlenül kapcsolódik a másik bázisára. Az erősítés a két tranzisztor erősítésének szorzata. Optimális eredmény akkor érhető el, ha a bemenő és kimenő impedanciák megfelelőek.

37


JFET (felépítés, működés, nyitás/zárás, jellemzők, típusok, jelölések)

Térvezérlésű tranzisztorok, FET (Field - Effect - Transistor) Térvezérlésű: a félvezető tömb (csatorna) ellenállását az áramra merőleges villamos erőtér vezérli. Az elektromos tér vezérli az egyetlen egységes félvezető csatornában áramló többségi töltéshordozót. Vezérléséhez nincs szükség teljesítményre. A kimenő áramot a bemenő feszültség vezérli, gyakorlatilag bemenő áram nélkül. Unipolárisnak nevezzük, mert csak egy típusú töltéshordozója van, vagy csak lyuk-, vagy csak elektron áramláson alapuló térvezérlésű tranzisztor. A térvezérlésű tranzisztor kis helyigényű, könnyen gyártható eszköz.

A térvezérlésű FET tranzisztor lehet: Záróréteges térvezérlésű tranzisztor, JFET (Junction FET, Junction - Field – Effect - Transistor) Lehet n csatornás, vagy p csatornás Szigetelő réteges térvezérlésű tranzisztor, MOS - FET (Metal – Oxide – Semiconductor) Növekményes (enhancement) MOS- FET, (vagy dúsításos, önzáró típus) Kiürítéses (depletion) MOS –FET. (vagy önvezetésű típus) CMOS- FET (complementary MOS)

JFET térvezérlésű, záróréteges tranzisztor

Egy n-csatornás JFET tranzisztor elvi felépítési vázlatát és rajzjelét az 1 ábra szemlélteti. Egy hosszirányú, vezérelhető vezetőképességű n- típusú kristályt két p típusú zóna fog körül. Az típusú kristályt két végén az S (source – forrás) és a D (Drain – nyelő) kivezetések csatlakoznak, a p zónák egy G (Gate – kapu) kivezetéssel

38

Elektronika 2 Jegyzet rendelkeznek. Az elrendezésre kapcsolt tápfeszültségek hatására a pn – np határokon ún. záróréteg alakul ki, amelyben töltéshordozók nem tartózkodhatnak, így a S-D irányú töltéshordozó-áramlás csak a semleges csatornán keresztül valósulhat meg.

Ha a G-S közötti UGS feszültség negatívabbá válik, akkor a záró rétegek kiszélesednek, a csatorna beszűkül, ezért az ellenállása megnövekszik, azaz az UGS -sel a csatornán átfolyó ID áramot vezérelni tudjuk. Az elektromos erőtér a záró réteges térvezérlésű tranzisztorban a hatásos áramlási keresztmetszetet befolyásolja. Az áram a csatornán keresztül a S-ből a D felé folyik, A Gate feszültség növelésével növeljük a csatorna ellenállását, és lecsökkentjük a drain-source-áram értékét. Így a térvezérlésű tranzisztor erősítőként és kapcsolóként is üzemeltethető. A JFET gate-csatorna ellenállása igen nagy (több millió ohm) ezért a JFET –nek a gate-re kapcsolt külső alkatrészekre vagy áramkörre kicsi, vagy semmilyen visszahatása nincsen.

A nagy Gate- csatornaellenállás azt jeleneti, hogy a gate körben gyakorlatilag nem folyik áram. A gate és a csatorna diódát alkot, így amíg a bemenő jel a záróirányú előfeszítés tartományán belül van, a gate nagy bemeneti ellenállású. N-csatornás JFET-nél az UGS nem lehet pozitív, mert akkor a zárórétegek nem alakulnak ki, a leírt működési elv nem jöhet létre. Ezért az előbbi rétegelrendezésű FET-et n-csatornás, vagy záróréteges FET-nek nevezzük. Egy n-csatornás JFET karakterisztikáit a 2 ábrán láthatjuk. A FET tranzisztoroknál vezérlő árammal nem kell számolni, ezért a kimenő karakterisztika görbeseregénél paraméterként a - UGS vezérlőfeszültség szerepel.

A FET gyártásakor és a fizikai modellben (1-a ábra) p és n szerepe felcserélhető, így kialakítható p-csatornás záróréteges FET is.

A kétféle záróréteges FET rajzjele és karakterisztikáinak összehasonlítása a

39

Elektronika 2 Jegyzet 3 ábrán látható. Az eltérések a G-kapu elektróda jelénél és a karakterisztikák előjelváltozásaiban van, ennek megfelelően kell a p-csatornás FET-et bekötni a hálózatba. Akárcsak a bipoláris tranzisztorokat, a JFET-eket is tönkreteszi a túl nagy feszültség, vagy áram. A JFET nagy teljesítményű áramkörben nem használható, de kis jelű erősítő és kapcsoló üzemben, analóg integrált áramkörökben, valamint nagyfrekvenciás jelek erősítésére széles körben alkalmazzák, kihasználva, hogy rendkívüli nagy bemeneti ellenállása következtében nem terheli az előtte lévő áramkört.

40


MOSFET Szigetelt vezérlőelektródájú térvezérlésű tranzisztor, fém-oxid-félvezető tranzisztor Alapelve, hogy egy térrészen átfolyó áramot úgy szabályozunk, hogy külső elektromos erőtérrel megváltoztatjuk a félvezető vezetőképességét, ill. a rendelkezésre álló keresztmetszetet. Tulajdonságaik: · bemenő áramuk »0 · kis teljesítményigény, · kis helyigény · a többségi töltéshordozók árama határozza meg a működést. ->kisebb hőmérsékletfüggés A szerkezeten a térerősség hatására a fémen pozitív töltések jelennek meg, a p típusú félvezetőben először egy kiürített réteg jön létre, majd adott térerősségnél negatív mozgóképes töltéshordozók az ún. inverziós töltések. Az a feszültség, amit a szerkezetre kell adni, hogy az inverziós csatorna létrejöjjön, a VT küszöbfeszültség. VT értékét a következő tényezők befolyásolják: ·az oxid vastagsága, töltései és permittivitása (dielektromos állandója, eox) ·a Si adalékolása és permittivitása (eSi) A MOS-FET-ek előnyös tulajdonsága a JFET-hez képest, hogy míg utóbbi gate-jén folyik valamennyi záróáram, a MOS FET gate-je el van szigetelve, tehát az tökéletes szakadásként viselkedik. E miatt azonban a source-hoz képest egy kis kapacitású kondenzátort képez, amely a környezetéből kapott igen kis töltés hatására is olyan nagy feszültségre töltődhet fel, amely miatt az oxidréteg átüt, és az eszköz tönkremegy. Ezért a MOS eszközök kezelése különös gondosságot igényel. A gyárból a MOS tranzisztorokat úgy bocsátják ki, hogy kivezetései - a feltöltődés megakadályozása céljából - egy elektromosan vezető gumigyűrűvel össze vannak kötve. Ezt a gyűrűt csak az áramkörbe való beforrasztás után szabad eltávolítani!

41


Műveleti erősítő Műveleti erősítőnek eredetileg az analóg számítógépekben a számítási műveletek végzéséhez használt, nagy erősítésű egyenfeszültségerősítőket nevezték. Ezeknél az erősítőknél galvanikus csatolást, és az ilyenkor fellépő problémák megelőzése érdekében nagymértékű negatív visszacsatolást alkalmaztak. Ugyanez az elv az elektronika más területein is alkalmazható, de elterjedése akkor vált lehetővé, amikor az olcsó és jó minőségű integrált műveleti erősítők megjelentek. (Az un. monolit integrált áramkörökben az erősítő működéséhez szükséges szinte valamennyi áramköri elemet: tranzisztorokat, diódákat, ellenállásokat, sőt még kisebb kapacitású kondenzátorokat is) egyetlen miniatűr félvezető lapkán alakítják ki.) Az általánosan alkalmazott műveleti erősítő (1. ábra) szimmetrikus bemenetű aszimmetrikus kimenetű.

csak

és

A szimmetrikus bemenet azt jelenti, hogy az erősítőnek két bemenete van, és a bemenő feszültséget e két (a „+” al jelölt nem invertáló és a „-” al jelölt invertáló) bemenő pont közé kell kapcsolni. A kimenet aszimmetrikus, azaz a kimenő feszültség a kimenet és a földpont között mérhető. Ideális műveleti erősítő:

Rbe=∞ Rki=0 Uki max=∞ A üresjárati=∞ Bemeneti áram=0 Működési frekvencia=∞

42


Kimeneti áram max= ∞A Nem Ideális műveleti erősítő:

Rbe=10 13Ω Rki=1-2 Ω Uki max=Utáp A üresjárati=néhány 100.000 esetleg millió Bemeneti áram=néhány pA Működési frekvencia=1Mhz-50Mhz Kimeneti áram max= 10-20mA esetenként több A

43


Műveleti erősítős alapkapcsolások A gyakorlatban a műveleti erősítőket két alapkapcsolás valamelyikében használjuk. Mindkét esetben az erősítő feszültségerősítését a kimenet és a bemenet közötti visszacsatolás határozza meg. Invertáló kapcsolás:

Nem invertáló kapcsolás:

44


Követő erősítők:

Összeadó áramkör:

Kivonó áramkör:

45


Differenciáló áramkör:

Ha az erősítő lineáris üzemmódban működik és ideális, akkor a kondenzátor egyik fele földpotenciálon van. Emiatt U (t)=Ube(t). Így:

Integráló áramkör:

A kondenzátor feszültsége:

46


A visszacsatolás szerepe erősítőkben A visszacsatolás lényege, hogy az erősítő kimeneti jelének egy részét visszavezetjük a bemenetére egy visszacsatoló négy pólus segítségével. A bemeneti jel és a visszacsatolt jel fázishelyzetének függvényében megkülönböztetünk: -

Negatív visszacsatolást: a visszacsatolt jel fázisa ellentétes a bemeneti jel fázisával, a két jel egymás ellen hat, s ennek következtében a kimeneti jelben kevésbé érvényesülhetnek a tranzisztorok működési jellemzőinek értékében eredetileg bekövetkező változások

-

Pozitív visszacsatolást: a kimeneti jelnek a bemenetre visszavezetett része fázisban van a bemeneti jellel, a két jel összeadódik.

1 Elektronika 2 Jegyzet. Elektronika 2. Jegyzet

Recommend Documents