Πόλωση των τρανζίστορ

Γραμμή φορτίου

Με τον όρο πόλωση του τρανζίστορ εννοούμε την εφαρμογή εξωτερικών τάσεων, που είναι κατάλληλες για να προκαλέσουν ένα επιθυμητό ρεύμα συλλέκτη. Το απλούστερο κύκλωμα πόλωσης είναι εκείνο της άμεσης πόλωσης βάσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω κύκλωμα.

 

Η επαφή εκπομπού πολώνεται ορθά, διαμέσου της αντίστασης R_B, που συνδέεται κατευθείαν στην πηγή V_CC. Το ρεύμα βάσης δίνεται από τη σχέση: I_B=(V_CC-V_BE)/R_B. Σε ένα τρανζίστορ πυριτίου η τάση V_BE έχει τιμές από 0,6V έως 0,7V. Σ' αυτό το εγχειρίδιο θεωρούμε ότι έχει τιμή 0,7V. Εδώ το τρανζίστορ λειτουργεί στην ενεργό περιοχή. Στην ενεργό περιοχή το ρεύμα συλλέκτη είναι: I_C = β_dcI_B Το ρεύμα αυτό προκαλεί στην αντίσταση συλλέκτη R_C μια πτώση τάσης I_CR_C. Έτσι, η τάση συλλέκτη - εκπομπού είναι: V_CE = V_CC - I_CR_C.

Πάνω στο διάγραμμα V_CE - I_C των χαρακτηριστικών εξόδου του τρανζίστορ, η εξίσωση V_CE=V_CC-I_CR_C παριστάνει ευθεία, που στη συγκεκριμένη περίπτωση ονομάζεται dc γραμμή φορτίου. Οι τάσεις και τα ρεύματα του κυκλώματος του τρανζίστορ βρίσκονται από την τομή της dc γραμμής φορτίου με την χαρακτηριστική εξόδου που αντιστοιχεί στο ρεύμα βάσης του τρανζίστορ.

 

Η dc γραμμή φορτίου ορίζεται με δυο σημεία, στα σημεία τομής της με τον κατακόρυφο και οριζόντιο άξονα. Η dc γραμμή φορτίου τέμνει τον κατακόρυφο άξονα στο σημείο V_CC/R_C και τον οριζόντιο άξονα στο σημείο V_CC.

Περιοχή  αποκοπής

Το σημείο, όπου η dc γραμμή φορτίου τέμνει τη χαρακτηριστική I_B=0, είναι γνωστό με τον όρο σημείο αποκοπής (cutoff). Σ' αυτό το σημείο το ρεύμα βάσης είναι μηδέν και το ρεύμα του συλλέκτη είναι εξαιρετικά μικρό. Για το λόγο αυτό η τιμή V_CE=V_CC αποτελεί μια καλή προσέγγιση της τάσης αποκοπής.

Περιοχή κόρου

Με τον όρο κόρος χαρακτηρίζεται το σημείο τομής της dc γραμμής φορτίου με το κατακόρυφο τμήμα των χαρακτηριστικών εξόδου. Σ' αυτό το σημείο, η επαφή συλλέκτη παύει να είναι πολωμένη ανάστροφα, δηλαδή είναι ορθά πολωμένη, με τάση που δεν ξεπερνά τα 0,5 ή 0,6 Volt. Οι συντεταγμένες του σημείου κόρου συμβολίζονται με I_CE(sat) και V_CE(sat). Η τιμή του ρεύματος συλλέκτη, σ' αυτό το σημείο είναι: I_C(sat)=(V_CC-V_CE(sat))/R_C.

Στο σχήμα βλέπουμε ότι το σημείο κόρου είναι πολύ κοντά στον κατακόρυφο άξονα. Επειδή η τυπική τιμή της τάσης V_CE(sat) είναι μερικά δέκατα του Volt, η παραπάνω εξίσωση γράφεται προσεγγιστικά: I_C(sat)=V_CC/R_C.

Το ρεύμα βάσης, που μόλις προκαλεί τον κόρο, είναι: I_B(sat)=I_C(sat)/β_dc. Έτσι όταν το ρεύμα βάσης γίνει μεγαλύτερο από I_B(sat) το ρεύμα συλλέκτη δεν αυξάνεται. Δηλαδή το I_C(sat) είναι το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη που μπορεί να πάρει για τις συγκεκριμένες τιμές της αντίστασης φορτίου και πηγής τάσης.

Ενεργός περιοχή

Τα σημεία της dc  γραμμής φορτίου που βρίσκονται μεταξύ του σημείου αποκοπής και κόρου, αποτελούν την ενεργό περιοχή του τρανζίστορ. Στην ενεργό περιοχή η επαφή του εκπομπού είναι ορθά πολωμένη, ενώ η επαφή του συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωμένη. Κατά τη σχεδίαση του κυκλώματος, τα στοιχεία κυκλώματος επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ετσι ώστε το σημείο λειτουργίας του να είναι κοντά στο μέσο της γραμμής φορτίου.

Παράδειγμα
Στο κύκλωμα του σχήματος ποιό είναι το ρεύμα της διόδου LED, όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στον κόρο; Αν το β_dc είναι ίσο με 200 ποιά είναι η τιμή της τάσης V_in η οποία μόλις οδηγεί το τρανζίστορ στον κόρο; Θεωρούμε ότι η πτώση τάσης της διόδου LED είναι 2V.

Λύση
Όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στο κόρο η τάση V_CE είναι σχεδόν μηδέν. Έτσι μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο συλλέκτης είναι γειωμένος. Η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου είναι ίση με τη διαφορά της τάσης της πηγής μείον την πτώση τάσης στη δίοδο LED. Το ρεύμα της διόδου είναι ίσο με το ρεύμα κόρου του τρανζίστορ.
I_LED=I_C(sat) ~= (V_CC-V_LED)/R_C ~= (24V-2V)/1kΩ= 22mΑ
Το dc ρεύμα βάσης, που μόλις οδηγεί το τρανζίστορ στον κόρο είναι: I_B(sat)=I_C(sat)/β_dc ~=22mA/200=0,11mA
Η τάση εισόδου, που οδηγεί το τρανζίστορ στον κόρο είναι: V_in=I_BR_B+V_BE ~=(0,11mA)(33kΩ)+0,7V = 4,33V
Όσο η τάση εισόδου γίνει μεγαλύτερή ίση με 4,33V το τρανζίστορ βρίσκεται στο κόρο και προκαλεί στη δίοδο LED σταθερό ρεύμα ίσο με το ρεύμα κόρου δηλαδή 22mA

Πόλωση με διαιρέτη τάσης

Στο κύκλωμα ενισχυτή με τρανζίστορ πολωμένο με διαιρέτη τάσης, η ac τάση εισόδου προκαλεί μικρές ταλαντώσεις στο ρεύμα και στη τάση συλλέκτη, γύρω από το σημείο ηρεμίας Q του τρανζίστορς που τοποθετείται σχεδόν στο μέσο της γραμμής φορτίου. Το τρανζίστορ πολωμένο με διαιρέτη τάσης είναι ένα γραμμικό κύκλωμα, στο οποίο το τρανζίστορ δεν οδηγείται ποτέ στον κόρο ή στην αποκοπή.

Το κύκλωμα πόλωσης με διαιρέτη τάσης αποτελείται από ένα διαιρέτη τάσης (αντιστάσεις R₁ και R₂) που βρίσκονται στο κύκλωμα βάσης. Το κύκλωμα σχεδιάζεται κατάλληλα με τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα βάσης του τρανζίστορ να είναι τουλάχιστον 10 φορές μικρότερο από το ρεύμα που διαρρέει τις αντιστάσεις R₁ και R₂ του διαιρέτη τάσης. Σ' αυτή την περίπτωση η επαφή εκπομπού είναι ορθά πολωμένη που προκαλεί ένα ρεύμα συλλέκτη σχεδόν ανεξάρτητο από το β_dc του τρανζίστορ. Αυτή είναι η κυριότερη αιτία της διάδοσης αυτού του κυκλώματος.

Πράγματι, χρειαζόμαστε ένα κύκλωμα πόλωσης ανεξάρτητο από το β του τρανζίστορ, για το λόγο ότι, στη μαζική παραγωγή των τρανζίστορ, ένα σοβαρό πρόβλημα που εμφανίζεται είναι ότι το β_dc διαφέρει από το ένα τρανζίστορ στο άλλο για τον ίδιου τύπο τρανζίστορ. Για παράδειγμα, το τρανζιστορ 2Ν3904 έχει ελάχιστο β_dc ίσο με 100 και μέγιστο ίσο με 300. 

 Έτσι η τάση στα άκρα της αντίστασης R₂ είναι περίπου

V₂ ~= V_CC R₂ / (R₁+R₂)

Η τάση στ' άκρα της αντίστασης εκπομπού είναι ίση με V₂ μείον V_BE Δηλαδή:  V_E = V₂ - V_BE

Έτσι το dc ρεύμα εκπομπού είναι

I_E = V_E / R_E ή   I_E = (V₂ - V_BE) / R_E

Επειδή το ρεύμα συλλέκτη είναι περίπου ίσο με το ρεύμα εκπομπού (I_C = I_E), ο υπολογισμός του ρεύματος εκπομπού δίνει  κατα προσέγγιση το ρεύμα συλλέκτη.

Για να γίνει το ρεύμα βάσης τουλάχιστον 10 φορές μικρότερο από το ρεύμα του διαιρέτη τάσης, ο σχεδιαστής επιλέγει τις τιμές των αντιστάσεων R₁, R₂ και R_E με τέτοιο τρόπο ώστε να να ικανοποιείται η συνθήκη:

R_E >> (R₁ || R₂) / β_dc

Όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στον κόρο, η τάση συλλέκτη εκπομπού V_CE είναι σχεδόν μηδέν. Έτσι η τάση τροφοδοσίας κατανέμεται στην αντίσταση συλλέκτη R_C και στην αντίσταση εκπομπού R_E. Έτσι το ρεύμα κόρου είναι:

I_C(sat) ~= V_CC / (R_C+R_E)

Όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στην κατάσταση αποκοπής, οι ακροδέκτες συλλέκτη - εκπομπού εμφανίζονται ανοικτοί. Σ' αυτήν την περίπτωση, η τάση της πηγής πέφτει στους ακροδέκτες συλλέκτη - εκπομπού. Δηλαδή

V_CE(cutoff) ~= V_CC

Παράδειγμα

Στο κύκλωμα του σχήματος να βρεθεί η dc τάση από τη γη στο συλλέκτη.

Λύση

Η τάση στα άκρα της αντίστασης 2,2kΩ είναι: V₂ ~=24V 2,2kΩ /(6,8kΩ+2,2kΩ)=5,86V

Η τάση ανάμεσα στον εκπομπό και στη γη είναι V_E=V₂-V_BE=5,86V-0,7V=5,16V

Το dc ρεύμα εκπομπού είναι I_E=V_E/R_E=5,16V / 120Ω = 43mA

Επειδή I_C ~= I_E η τάση ανάμεσα στο συλλέκτη και τη γη είναι: V_C=V_CC - I_CR_C=24V-43mA220Ω=14,54V

Πόλωση με ανάδραση από το συλλέκτη

Στο παρακάτω σχήμα δίνεται το κύκλωμα πόλωσης με ανάδραση από το συλλέκτη, όπου βλέπουμε την αντίσταση της βάσης να συνδέεται στο συλλέκτη. Η ανάδραση λειτουργεί ως εξής: Θεωρούμε ότι η θερμοκρασία αυξάνει. Αυτό προκαλεί αύξηση και στο ρεύμα συλλέκτη. Μόλις το ρεύμα συλλέκτη αυξηθεί, η τάση συλλέκτη - εκπομπού ελαττώνεται, επειδή εμφανίζεται πρόσθετη πτώση τάσης στην αντίσταση R_C. Αυτό σημαίνει ότι η πτώση τάσης στ' άκρα της αντίστασης βάσης γίνεται μικρότερη και το ρεύμα βάσης μειώνεται. Καθώς το ρεύμα βάσης γίνεται μικρότερο, το ρεύμα συλλέκτη ελαττώνεται, αντισταθμίζοντας μερικά την αρχική του αύξηση.

Θεωρώντας τους ακροδέκτες του συλλέκτη και του εκπομπού βραχυκυκλωμένους, βρίσκουμε το ρεύμα κόρου. Eπειδή όλη η τάση της πηγής εφαρμόζεται στην αντίσταση συλλέκτη, βρίσκουμε για το ρεύμα κόρου:

I_C(sat) ~= V_CC / R_C

Θεωρώντας τους ακροδέκτες συλλέκτη κι εκπομπού ανοικτούς, βρίσκουμε την τάση αποκοπής:

V_C(cutoff) ~= V_CC

Θεωρούμε τώρα την λειτουργία του κυκλώματος στην ενεργό περιοχή. Αρχίζοντας από τη βάση και προσθέτοντας τις τάσεις γύρω από το κύκλωμα έχουμε:

V_BE - V_CC + (I_C + I_B)R_C + I_BR_B = 0

Επειδή το I_C είναι πολύ μεγαλύτερο από το I_B , η παραπάνω εξίσωση απλοποιείται στην

V_BE - V_CC + I_CR_C + I_BR_B ~= 0

Επειδή I_B = I_C / β_dc από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει:

I_C ~= (V_CC - V_BE) / (R_C + R_B / β_dc)

Αν και το κύκλωμα αυτό είναι κατά κάποιο τρόπο ευαίσθητο στις μεταβολές του β_dc , χρησιμοποιείται στην πράξη. Έχει το πλεονέκτημα να είναι απλό (μόνο δυο αντιστάσεις) και να έχει καλύτερη απόκριση συχνότητας. Συνήθως, το σημείο Q τοποθετείται κοντά στο μέσο της dc γραμμής φορτίου. Αυτό απαιτεί μια αντίσταση βάσης ίση με:

R_B = β_dc R_C

Αυτό αποδεικνύεται εύκολα από την τελευταία σχέση, θέτοντας I_C=I_C(sat)/2=V_CC/2R_C, δηλαδή το μισό του ρεύματος κόρου.