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

<fragment>
$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}}$
</fragment>

<note>
Högre faktor kräver mindre basström för att styra en större kollektorström
</note>
---
### 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: $R_1$

<fragment>
$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$
</fragment>
<fragment>
$R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{16,779}{\micro\ampere}} \approx \qty{680}{\kilo\ohm}$
</fragment>

<note>
Nackdel med kopplingen är en dåligt kontrollerad strömförstärkning
</note>
---
### Stabilisering av arbetspunkten

<left>
[picture:361:a_bauteile_arbeitspunkteinstellung:Transistorkoppling med basspänningsdelare]
</left>
<right>
* Arbetspunkten ställs in via spänningsdelaren
* Tvärströmmen genom $R_2$ ska vara så hög att basströmmen inte har stor inverkan på arbetspunkten
</right>
<note>
Kollektorströmmen beror exponentiellt av bas-emitter-spänningen; motståndens tolerans kan ge stora effekter på kollektorströmmen. Starkt temperaturberoende i transistorn kan påverka kollektorströmmen.
</note>

--- style="font-size: smaller;"
#### Räkneexempel
<left>
* givet: $U = \qty{10}{\volt}$
* givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
* givet: $B = 200$
</left>
<right>
* givet: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$
* givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
* sökt: $R_1$
</right>

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

---
#### 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;"
<left>
* givet: $U = \qty{10}{\volt}$
* givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
* givet: $B = 200$
</left>
<right>
* givet: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
* givet: $U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}$
* givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
</right>
* sökt: $R_1$

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

---
#### 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

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

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

<note>
Gate-source-spänningen styr kanalströmmen (kanalresistansen bara vid små drain-source-spänningar)
</note>
---
### 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)

<note>
MOSFET: metal oxide semiconductor FET
</note>
---
### Kretssymboler FET

<left>
[picture:273:a_bauelemente_selbstleitender_p_kanal_mosfet:Självledande p-kanal-MOSFET]
[picture:276:a_bauelemente_selbstsperrender_n_kanal_mosfet:Självspärrande n-kanal-MOSFET]
</left>
<right>
* *självledande*/*självspärrande*: heldragen/streckad linje i kanalen
* *p-*/*n-kanal*: pilen pekar från/mot kanalen
* *Isolerad gate* (MOSFET): gate och kanal som kondensator
</right>

---
#### Räkneexempel

<left>
* 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 $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$
</left>
<right>
<fragment>
$\begin{split} \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \Rightarrow U_{\textrm{R2}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot U_{\textrm{B}}\\ &= \frac{\qty{1}{\kilo\ohm}}{\qty{10}{\kilo\ohm}+\qty{1}{\kilo\ohm}} \cdot \qty{44}{\volt}\\ &= \frac{1}{11} \cdot \qty{44}{\volt} = \qty{4}{\volt} \end{split}$
</fragment>
</right>

---
#### Räkneexempel

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

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

<fragment>
$P = I^2 \cdot R = (\qty{25}{\ampere})^2 \cdot \qty{4}{\milli\ohm} = \qty{2,5}{\watt}$
</fragment>

<note>
MOSFET:en beter sig som ett ohmskt motstånd
</note>

---
### 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