Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Unipolární Tranzistory
Čtyřpól - admitanční parametry
aktivní součástka = polovodičový zesilující prvek znám od r. 1960 proud vedou majoritní nositelé náboje
i1
i2
u1
(Vodivostní) [A/V = S]
i1 = Y1 ⋅ (u1 , u2 )
i2 = Y2 ⋅ (u1 , u 2 )
• náznak teorie čtyřpólů • JFET
za zjednodušujících podmínek v okolí pracovního bodu linearizuji
• MOS
∆i1 = y11 ⋅ ∆u1 + y12 ⋅ ∆u2 ∆i2 = y21 ⋅ ∆u1 + y22 ⋅ ∆u 2
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
2
16.3.2010
Čtyřpól - hybridní parametry i1
i2
u1 u1 = H1 ⋅ (i1 , u 2 ) i2 = H 2 ⋅ (i1 , u2 )
za zjednodušujících podmínek v okolí pracovního bodu linearizuji
∆u1 = h11 ⋅ ∆i1 + h12 ⋅ ∆u 2 ∆i2 = h21 ⋅ ∆i1 + h22 ⋅ ∆u 2 16.3.2010
h11 [Ω] h12,h21 [1] h22 [S] ∆u1 ∆i1
Vstupní odpor při ∆u2 = 0
h12 =
∆u1 ∆u2
Zpětný přenos napětí při ∆i1 = 0
h21 =
∆i2 ∆i1
Proudový zesilovací činitel při ∆u2 = 0 ≈ β
h22 =
∆i2 ∆u2
Výstupní vodivost při ∆u1 = 0
i2
u1
i1
Vstupní vodivost při ∆u2 = 0
y12 =
∆i1 ∆u2
Přenosová zpětná vodivost při ∆u1 = 0
y21 =
∆i2 ∆u1
Přenosová vodivost v předním směru při ∆u2 = 0 STRMOST
y22 =
∆i2 ∆u2
Výstupní vodivost při ∆u1 = 0
i2
3
4
[Ω]
u2
u1 = Z1 ⋅ (i1 , i2 )
u 2 = Z 2 ⋅ (i1 , i2 )
Čtyřpól - impedanční parametry i1
∆i1 ∆u1
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
u1
h11 =
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
y11 =
Čtyřpól - impedanční parametry
Vhodné pro bipolární tranzistory
u2
Vhodné pro elektronky a FET
u2
za zjednodušujících podmínek v okolí pracovního bodu
∆u1 = z11 ⋅ ∆i1 + z12 ⋅ ∆i2 ∆u 2 = z 21 ⋅ ∆i1 + z 22 ⋅ ∆i2 16.3.2010
z11 =
∆u1 ∆i1
Vstupní odpor při ∆i2 = 0
z12 =
∆u1 ∆i2
Přechodová impedance zpětná při ∆i1 = 0
z21 =
∆u2 ∆i1
Přechodová impedance dopředná při ∆i2 = 0
z22 =
∆u2 ∆i2
Výstupní odpor při ∆i1 = 0
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
5
Čtyřpól - admitanční charakteristiky
[Ω]
u2 Parametry H, Y a Z lze podle potřeby , pro konkrétní čtyřpól mezi sebou převádět
u1 = Z1 ⋅ (i1 , i2 )
u 2 = Z 2 ⋅ (i1 , i2 )
za zjednodušujících podmínek v okolí pracovního bodu
např:
∆u1 = z11 ⋅ ∆i1 + z12 ⋅ ∆i2
y21 =
h21 h11
y11 y12 y21 y22
∆u 2 = z 21 ⋅ ∆i1 + z 22 ⋅ ∆i2 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
6
16.3.2010
vstupní vodivost při výstupu nakrátko převodní vodivost při výstupu nakrátko převodní vodivost při vstupu nakrátko výstupní vodivost při vstupu nakrátko Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
Nezávisle proměnné U1 a U2 závisle proměnné I1 a I2 7
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Čtyřpól - hybridní charakteristiky
Unipolární tranzistory • FET (Field Effect Tranzistor) = obecné označení využívá se objemových jevů v krystalickém polovodiči • JFET (Junction FET) = hradlo odděleno zavřeným p.p.
h11 h12 h21 h22
vstupní odpor při výstupu nakrátko zpětný přenos napětí při vstupu nakrátko proudový zesilovací činitel při výstupu nakrátko výstupní vodivost při vstupu nakrátko
16.3.2010
1 2 3 4 S D G
Nezávisle proměnné I1 a U 2 závisle proměnné U1 a I2
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
Ug → „–“ rozšiřuji „4“ zavírám tranzistor
8
16.3.2010
UG (=P) < US (=N) = závěrný s.
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
Činnost tranzistoru JFET
• Princip jsme probrali na kanálu typu N • Podobně lze vyrobit tranzistor s opačnou vodivostí s P-kanálem NPN
i1 = Y1 ⋅ (u1 , u2 )
PNP
(S)
(S)
(D)
(D)
kanál
N
P
Schématická značka
iS = Y2 ⋅ (uG , u S )
A V [V]
iS = y22 ⋅ u S 10
16.3.2010
Charakteristiky JFET-u N-kanál
i1 ≅ 0
i2 = Y2 ⋅ (u1 , u2 )
iS = y21 ⋅ uG [A]
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
9
JFET
• šířku ochuzené oblasti a tím i N-kanálu se mění na základě potenciálu (=napětí) G proti S. • úbytkem napětí po délce kanálu dochází k deformaci ochuzené oblsti
16.3.2010
N (vodivost elektrony) N+ (pro kontaktování) P (vodivost díry) ochuzená vrstva N, PN př. (e) Sourse (injektuje elektrony) (c) Drain (odvádí elektrony) (b) Gate = hradlo
y21 =
STRMOST
iS =S uGS
1 u = S = Ri y22 iS
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
u S = konst uG = konst 11
Pracovní bod JFET-u
=iS
iS
Po a b c d e
Pracovní oblast nelinearita charakteristik nelinearita charakteristik max. kolektorová ztráta napěťový průraz max. ID
=uS =uS
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
12
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
13
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Ukázka zapojení s JFET-em
Ukázka zapojení s JFET-em
• G zápornější než S se realizuje úbytkem na RS
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
14
• Hledač elektrického vedení pod omítkou
16.3.2010
Skutečná realizace JFET-u
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
15
Tranzistor MOS FET • MOS (Metal Oxide Silicicon (Semiconductor)) používá se i obecnější název
• MIS (Metal Isulatot Semiconductor) N-kanál
např.: P-kanál 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
16
16.3.2010
MOS FET - indukovaný kanál
P-kanál
G2
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
17
MOS FET - vodivý kanál. N-kanál
P-kanál - vedou díry záporná G - vypudím elektrony, přitáhnu díry vytvořím P
např. KF552 = indukovaný P-kanál 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
např. KF521 vodivý N-kanál 18
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
19
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Systematické dělení FET tranzistorů
Dělení a vlastnosti MOS FET Převodní charakteristika
indukovaný kanál
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
20
Indukovaný x vodivý kanál - struktura
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
21
CMOS struktura Complementr MOS – vysoká spínací rychlost – malé napájecí napětí – malý příkon
MOS FET s induk. N kanálem těžko výrobitelný • sodíkové příměsi v Si - induk.k. • rozhrami Si-SiO2 - kladný náb.
kanál je vodivosti N 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
22
16.3.2010
VMOS a DMOS struktura = výkonové
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
23
Pyroelectric Sensor 8 až 14 µm člověk 9,4 µm
Lze 20 A, 400 V, 300 W, RSEP = 0,5 Ω
vysoká strmost, malá kapacita G
Krátký vodivostní kanál → malý odpor v sepnutém stavu Užití pro výkonové MOS tranzistory 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
24
světlocitlivý materiál ↓ změna kryst. struktůry ↓ změna povrch. náboje ↓ vliv na vodivostní kanál ↓ proud FET tranzistorem 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
25
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
PIR - RE200B
Příklad použití 1 Analogový spínač vstupy audiozesilovače
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
26
16.3.2010
Příklad použití 1
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
27
Příklad použití 2 Analogový spínač vstupy audiozesilovače
• analogový spínač v SH (=vzorkovacím) obv.
Detail
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
28
16.3.2010
Příklad použití 3
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
29
Příklad použití 4
• analogový regulační prvek ve stabilizátoru
• spínač v PWM regulátoru výkonu
PWM PŠM
Není v cestě polovodičový přechod - lze dosáhnout malého úbytku napětí 16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
30
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
31
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Příklad použití 5
Příklad použití 6
• spínač v primáru měniče napětí
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
napětím řízený odpor při kompenzaci vlivu teploty
32
16.3.2010
Příklad použití 7
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
• analogový spínač - přepínač rozsahů
34
16.3.2010
Příklad použití 8
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
35
Příklad použití 9
• bezkontaktní auto - spínač
16.3.2010
33
Příklad použití 7
• analogový spínač - přepínač rozsahů
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
• nf zesilovač (velký vstupní odpor)
36
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
38
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Příklad použití 10
Příklad použití 11
• akustický kompresor dynamiky
16.3.2010
• „Dioda“ s malým úbytkem napětí
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
IGBT
39
16.3.2010
náhradní schema
• druh tranzistoru pro velký rozsah spínaných výkonů (od zlomků W až po desítky kW) a vysokou pulzní frekvenci (je rychlý = desítky µs při spínání, vypíná pomaleji). • na vstupu má vlastnosti FET a na výstupu (=výkonová část) má vlastnosti bipolárního tranzistoru Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
40
IGBT
.
Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (Anglicky Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT)
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
výstupní charakteristik a náhradní schéma v sepnutém stavu
41
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
42
GTO IGCT
vlastnosti IGBT
náhradní schema GTO (= vypínatelný tyristor)
• je nejmladším členem rodiny výkonových polovodičových spínacích prvků • nízké ztráty • možnost dosáhnout vysoké spínací frekvence • dostatečná proudová a napěťová zatížitelnost. • dodává se jako moduly tvořené integrovanými tranzistory IGBT.
IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) GTO s integrovanými řídicími obvody
Oblasti možného využití moderních výkonových prvků
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
43
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
44
Počítačové aplikace 2000
L. Fišer
Typické parametry IGBT
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
Př. Zdroj VN s IGBT
45
16.3.2010
Základy elektr. 2000 - 5. přednáška
46
