50ohm-contents-dl/contents/slides/transistor_2.md

Bipolär transistor

[picture:864:a_bauelemente_bipolartransistor:Kretssymbol för npn- och pnp-bipolärtransistor med kollektor (C), bas (B) och emitter (E)]

• Tre halvledarzoner
• Omväxlande n- och p-dopade
• npn-transistor och pnp-transistor

---

Strömstyrning och faktor

• Bas-emitter-spänningen U_{\textrm{BE}} styr kollektorströmmen I_{\textrm{C}} exponentiellt
• Hos bipolärtransistorn flyter alltid en basström I_{\textrm{B}} som beror exponentiellt av U_{\textrm{BE}}
• Faktorn B är transistorns strömförstärkningsfaktor
• Ligger vid ca. 20 till 500

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}}$ Högre faktor kräver mindre basström för att styra en större kollektorström --- ### Ledande bipolärtransistor

• En betydande kollektorström flyter
• Bas-emitter-dioden i framriktningen
• Kollektor-bas-dioden spärrar, så att inga laddningsbärare går från kollektorn in i basen

---

Räkneexempel

• Storleken på R_1 ställer in basströmmen I_B
• I_B är 298 gånger mindre än I_C
• Från spänningen över R_1 måste transistorns spänningsfall dras av

---

• givet: U = \qty{12}{\volt}
• givet: I_{\textrm{C}} = \qty{5}{\milli\ampere}
• givet: B = 298
• givet: U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}
• sökt: R_1

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$ $R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{16,779}{\micro\ampere}} \approx \qty{680}{\kilo\ohm}$ Nackdel med kopplingen är en dåligt kontrollerad strömförstärkning --- ### Stabilisering av arbetspunkten [picture:361:a_bauteile_arbeitspunkteinstellung:Transistorkoppling med basspänningsdelare] * Arbetspunkten ställs in via spänningsdelaren * Tvärströmmen genom $R_2$ ska vara så hög att basströmmen inte har stor inverkan på arbetspunkten Kollektorströmmen beror exponentiellt av bas-emitter-spänningen; motståndens tolerans kan ge stora effekter på kollektorströmmen. Starkt temperaturberoende i transistorn kan påverka kollektorströmmen.

--- style="font-size: smaller;"

Räkneexempel

* givet: $U = \qty{10}{\volt}$ * givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$ * givet: $B = 200$ * givet: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$ * givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$ * sökt: $R_1$ $B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$ $U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{0,6}{\volt} = \qty{9,4}{\volt}$ $I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{9,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{85,5}{\kilo\ohm}$

---

Räkneexempel

• U_{\textrm{R2}} är lika stor som U_{\textrm{BE}} + U_{\textrm{RE}}
• Kollektorströmmen bestäms framför allt av R_{\textrm{E}}
• Mycket stabil koppling

--- style="font-size: smaller;"

• givet: U = \qty{10}{\volt}
• givet: I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}
• givet: B = 200
• givet: U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}
• givet: U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}
• givet: I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}
• sökt: R_1

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$ $U_{\textrm{R2}} = U_{\textrm{BE}} + U_{R_{\textrm{E}}} = \qty{0,6}{\volt} + \qty{1}{\volt} = \qty{1,6}{\volt}$ $U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{1,6}{\volt} = \qty{8,4}{\volt}$ $I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{8,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{76,4}{\kilo\ohm}$

---

Felsökning: avbrott i R_1

• Ingen ström genom R_1 \rightarrow ingen spänning över R_2
• Basen ligger på jordpotential \rightarrow transistorn är strömlös
• Inget spänningsfall över R_{\textrm{C}} \rightarrow kollektorpotentialen stiger till matningsspänningen

---

Felsökning: avbrott i R_2

• R_2 är strömlös \rightarrow basen är via R_1 ansluten till matningsspänningen
• På grund av dimensioneringen är basströmmen nu 11 gånger högre än planerat
• Kollektorströmmen ökar kraftigt \rightarrow spänningsfallet över R_{\textrm{C}} ökar kraftigt
• U_{\textrm{CE}} sjunker till mättnadsvärdet cirka \qty{0,1}{\volt}

---

Fälteffekttransistor (FET)

[picture:271:a_bauelemente_fet:Kretssymboler för fälteffekttransistorer]

• Annan uppbyggnad
• Det finns en halvledarkanal
• Strömflödet styrs via ett elektriskt fält
• Därigenom spänningsstyrd

Den lodräta linjen symboliserar kanalen som drain (upptill) och source (nedtill) kontakterar; till vänster är gaten och pilen påminner om en diod --- ### FET:ens anslutningar

• Source källa för laddningsbärarna i kanalen
• Drain avlopp för laddningsbärarna i kanalen
• Gate styr flödet av laddningsbärare i kanalen

Gate-source-spänningen styr kanalströmmen (kanalresistansen bara vid små drain-source-spänningar) --- ### Typer av FET

• självledande: Utan gate-source-spänning är FET:en ledande
• självspärrande: Utan gate-source-spänning är FET:en spärrande
• n-kanal-FET: Strömmen i kanalen bärs av elektroner
• p-kanal-FET: Strömmen i kanalen bärs av hål
• Övergångs-FET: Gaten är en diod
• Isolerad-gate-FET: Gaten är en kondensatorstruktur (t.ex. MOSFET)

MOSFET: metal oxide semiconductor FET --- ### Kretssymboler FET [picture:273:a_bauelemente_selbstleitender_p_kanal_mosfet:Självledande p-kanal-MOSFET] [picture:276:a_bauelemente_selbstsperrender_n_kanal_mosfet:Självspärrande n-kanal-MOSFET] * *självledande*/*självspärrande*: heldragen/streckad linje i kanalen * *p-*/*n-kanal*: pilen pekar från/mot kanalen * *Isolerad gate* (MOSFET): gate och kanal som kondensator

---

Räkneexempel

* givet: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$ * givet: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$ * givet: $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$ * sökt: $U_{\textrm{GS}}$ * Ansats: Obelastad spänningsdelare över $R_1$ och $R_2$, med $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$ $\begin{split} \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \Rightarrow U_{\textrm{R2}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot U_{\textrm{B}}\\ &= \frac{\qty{1}{\kilo\ohm}}{\qty{10}{\kilo\ohm}+\qty{1}{\kilo\ohm}} \cdot \qty{44}{\volt}\\ &= \frac{1}{11} \cdot \qty{44}{\volt} = \qty{4}{\volt} \end{split}$

---

Räkneexempel

* givet: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$ * givet: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$ * givet: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = \qty{2,8}{\volt}$ * givet: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$ * sökt: $R_2$ $\begin{split} \frac{U_{\textrm{R1}}}{U_{\textrm{R2}}} &= \frac{R_1}{R_2}\\ \Rightarrow R_2 &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{R1}}}\\ &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}-U_{\textrm{GS}}}\\ &= \qty{10}{\kilo\ohm} \cdot \frac{\qty{2,8}{\volt}}{\qty{44}{\volt}-\qty{2,8}{\volt}}\\ &\approx \qty{680}{\ohm} \end{split}$ --- #### Räkneexempel

• givet: R_{\textrm{DSon}} = \qty{4}{\milli\ohm}
• givet: I = \qty{25}{\ampere}
• sökt: P

$P = I^2 \cdot R = (\qty{25}{\ampere})^2 \cdot \qty{4}{\milli\ohm} = \qty{2,5}{\watt}$ MOSFET:en beter sig som ett ohmskt motstånd

---

Frihjulsdiod

• Relä drivs via en seriekopplad bipolärtransistor
• Transistorn slår på \rightarrow ström flyter genom relespolen
• Transistorn slår av \rightarrow strömmen i spolen inducerar negativ spänning över transistorn
• Kan förstöra transistorn
• Förhindra: montera en frihjulsdiod parallellt med reläet i backriktningen
• Induktionsspänningen begränsas till diodspänningen