L - UMEL - Vysoké učení technické v Brně

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologiea magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsoufinancovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 1Obsah1 Úvod ...................................................................................................................................52 Zařazení předmětu ve studijním programu...................................................................52.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU ...................................................................................................52.2 VSTUPNÍ TEST..............................................................................................................63 V-A charakteristiky polovodičových diod Úloha č. 1...............................................73.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ:..................................................................................................73.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ ...................................................................................83.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................103.3.1 Vlastnosti polovodičových diod........................................................................103.3.2 Označování parametrů diod .............................................................................113.3.3 Přehled parametrů běžně používaných diod : ..................................................124 Dioda jako usměrňovač Úloha č. 2..............................................134.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................134.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ .................................................................................144.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................154.3.1 Dynamický režim polovodičové diody ..............................................................154.3.2 Náhradní odpor diody ......................................................................................155 Dioda jako řízený odpor Úloha č. 3..............................................175.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................175.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ .................................................................................185.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................205.3.1 Dynamický režim diody ....................................................................................206 Stabilizační dioda Úloha č. 4..............................................226.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................226.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ .................................................................................236.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................246.3.1 Stabilizační dioda .............................................................................................246.3.2 Stabilizátory napětí...........................................................................................247 Bipolární tranzistor - VA-charakteristiky Úloha č. 5 .............................................267.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................267.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ .................................................................................277.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................297.3.1 Bipolární tranzistor ..........................................................................................297.3.2 Princip činnosti ................................................................................................297.3.3 Popis bipolárního tranzistoru rovnicemi dvojbranu ........................................318 Bipolární tranzistor jako zesilovač Úloha č. 6 .............................................338.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................338.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ .................................................................................348.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................368.3.1 Tranzistor jako nízkofrekvenční zesilovač........................................................368.3.2 Nastavení pracovního bodu tranzistoru ...........................................................368.3.3 Stabilizace pracovního bodu ............................................................................378.3.4 Linearizovaný model ........................................................................................398.3.5 Kmitočtová závislost zesílení............................................................................399 VA-charakteristiky tranzistoru JFET Úloha č. 7................................................409.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................409.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ .................................................................................419.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY ...........................................................................................439.3.1 Princip funkce unipolárního tranzistoru ..........................................................43

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně9.3.2 Admitanční rovnice náhradního lineárního obvodu ........................................ 4410 Zesilovače s tranzistorem JFET Úloha č. 8............................................ 4510.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ ................................................................................................ 4510.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ................................................................................. 4610.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY........................................................................................... 4810.3.1 Nastavení pracovního bodu tranzistoru JFET................................................. 4811 Bipolární a JFET tranzistor jako spínač Úloha č. 9 ........................................ 5011.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ ................................................................................................ 5011.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ................................................................................. 5111.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY........................................................................................... 5311.3.1 Bipolární tranzistor ve spínacím řežimu......................................................... 5311.3.2 Unipolární tranzistor ve spínacím řežimu ...................................................... 5512 Měření na optronu Úloha č. 10 ............................................ 5612.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ ................................................................................................ 5612.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ................................................................................. 5712.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY........................................................................................... 5912.3.1 Charakteristika optočlenu................................................................................ 5913 Charakteristiky tyristoru Úloha č. 11 ............................................ 6113.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ ................................................................................................ 6113.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ................................................................................. 6213.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY........................................................................................... 6313.3.1 Princip činnosti tyristoru ................................................................................. 6314 Určení barierové kapacity přechodu PN Úloha č. 12 .......................................... 6714.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ ................................................................................................ 6714.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ................................................................................. 6815 Výsledky vstupního testu........................................................................................... 69

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 3Seznam obrázkůOBRÁZEK 1: PROPUSTNÝ SMĚR................................................................................................7OBRÁZEK 2: ZÁVĚRNÝ SMĚR ...................................................................................................7OBRÁZEK 3: SCHEMATICKÁ ZNAČKA A USPOŘÁDÁNÍ STAVEBNÍCH PRVKŮ DIODY .................10OBRÁZEK 4: ZAPOJENÍ DIODY V PROPUSTNÉM SMĚRU .........................10OBRÁZEK 5: ZAPOJENÍ DIODY V ZÁVĚRNÉM SMĚRU ..............................10OBRÁZEK 6: VÝZNAČNÉ HODNOTY NA VA-CHARAKTERISTICE .............................................11OBRÁZEK 7: V-A CHARAKTERISTIKY RŮZNÝCH TYPŮ DIOD – TYPICKÉ PRŮBĚHY..................12OBRÁZEK 8: SÉRIOVÝ USMĚRŇOVAČ ......................................................................................13OBRÁZEK 9: PARALELNÍ USMĚRŇOVAČ A PRŮBĚHY NAPĚTÍ ..................................................13OBRÁZEK 10: NÁHRADNÍ SCHÉMA DIODY Z LINEÁRNÍCH OBVODOVÝCH PRVKŮ ......................15OBRÁZEK 11: NÁHRADNÍ SCHÉMA DIODY PRO NÍZKÉ KMITOČTY .............................................15OBRÁZEK 12: STATICKÝ A DYNAMICKÝ ODPOR ZVA-CHARAKTERISTIKY................................15OBRÁZEK 13: PŘÍKLADY PRŮBĚHŮ VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ SÉRIOVÉHO USMĚRŇOVAČE ..............16OBRÁZEK 14: ZAPOJENÍ 1 ........................................................................................................17OBRÁZEK 15: ZAPOJENÍ 2 ........................................................................................................17OBRÁZEK 16: PRACOVNÍ REŽIM DIODY V ZAPOJENÍ 1 .............................................................20OBRÁZEK 17: NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO ZAPOJENÍ 1.................................................................20OBRÁZEK 18: NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO ZAPOJENÍ 2................................................................21OBRÁZEK 19: PRACOVNÍ REŽIM DIOD PRO ZAPOJENÍ 2.............................................................21OBRÁZEK 20: MĚŘENÍ VA-CHARAKTERISTIKY ........................................................................22OBRÁZEK 21: MĚŘENÍ NA STABILIZÁTORU...............................................................................22OBRÁZEK 22: PRACOVNÍ OBLAST STABILIZAČNÍ DIODY ...........................................................24OBRÁZEK 23: ZAPOJENÍ STABILIZÁTORU .................................................................................24OBRÁZEK 24: REŽIM ČINNOSTI STABILIZÁTORU......................................................................25OBRÁZEK 25: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ.......................................................................................26OBRÁZEK 26: ROZDĚLENÍ PROUDŮ V BIPOLÁRNÍM TRANZISTORU..........................................29OBRÁZEK 27: NEVODIVÝ REŽIM TRANZISTORU.......................................................................29OBRÁZEK 28: PRACOVNÍ REŽIMY TRANZISTORU ......................................................................30OBRÁZEK 29: SÍŤ CHARAKTERISTIK ........................................................................................30OBRÁZEK 30: OBECNÝ DVOJBRAN ...........................................................................................31OBRÁZEK 31: NÁHRADNÍ LINEÁRNÍ OBVOD .............................................................................31OBRÁZEK 32: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM.................................................................33OBRÁZEK 33: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM KOLEKTOREM ............................................................33OBRÁZEK 34: NASTAVENÍ PB PŘEDŘADNÝM REZISTOREM ......................................................36OBRÁZEK 35: STABILIZACE PB POMOCÍ R E .............................................................................37OBRÁZEK 36: STABILIZACE PB DĚLIČEM V BÁZI.....................................................................37OBRÁZEK 37:DRUHY ZAPOJENÍ ZESILOVAČŮ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM A JEJICHVLASTNOSTI.......................................................................................................................38OBRÁZEK 38: ZESILOVAČ SE SPOLEČNÝM EMITOREM ..............................................................39OBRÁZEK 39: NÁHRADNÍ LINEARIZOVANÝ OBVOD A JEHO PARAMETRY .................................39OBRÁZEK 40: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ .......................................................................................40OBRÁZEK 41: PRINCIP FUNKCE UNIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU JFET.......................................43OBRÁZEK 42: VA-CHARAKTERISKY JFETU............................................................................44OBRÁZEK 43: NÁHRADNÍ LINEÁRNÍ OBVOD ............................................................................44OBRÁZEK 44: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNOU ELEKTRODOU S ..........................................................45OBRÁZEK 45: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNOU ELEKTRODOU D.........................................................45OBRÁZEK 46: VOLBA PRACOVNÍHO BODU V SOUSTAVĚ CHARAKTERISTIK TRANZISTORU .......48OBRÁZEK 47: PB POMOCÍ DALŠÍHO ZDROJE ............................................................................48OBRÁZEK 48: PB POMOCÍ R S ...................................................................................................49

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněOBRÁZEK 49: PB POMOCÍ DĚLIČE NAPĚTÍ ............................................................................... 49OBRÁZEK 50: ZAPOJENÍ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM .......................................................... 50OBRÁZEK 51: ZAPOJENÍ S UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM....................................................... 50OBRÁZEK 52: SPÍNAČ S TRANZISTOREM.................................................................................. 53OBRÁZEK 53: PRACOVNÍ REŽIMY TRANZISTORU V JEHO CHARAKTERISTIKÁCH ...................... 53OBRÁZEK 54: PRŮBĚHY NAPĚTÍ A PROUDU KOLEKTORU PŘI SPÍNÁNÍ ...................................... 54OBRÁZEK 55: MĚŘENÍ VSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY .............................................................. 56OBRÁZEK 56: MĚŘENÍ VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY ............................................................. 56OBRÁZEK 57: MĚŘENÍ DYNAMICKÉHO PŘENOSOVÉHO POMĚRU................................................ 56OBRÁZEK 58: PŘÍKLADY PARAMETRŮ NĚKTERÝCH TYPŮ OPTOČLENŮ ................................... 60OBRÁZEK 59: MĚŘENÍ VSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY TYRISTORU............................................. 61OBRÁZEK 60: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ SPÍNACÍ CHARAKTERISTIKY TYRISTORU........................ 61OBRÁZEK 61: NÁHRADNÍ SCHÉMA TYRISTORU ....................................................................... 63OBRÁZEK 62: VA-CHARAKTERISTIKA TYRISTORU................................................................. 64OBRÁZEK 63: REGULACE PROUDU ODPOROVOU ZÁTĚŽÍ ........................................................ 65

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 51 ÚvodMikroelektronické technologie se užívají při výrobě celé řady součástek. Předně jsou topolovodičové součástky jako tranzistory, tyristory atd., monolitické integrované obvody, dálehybridní integrované obvody, které umožňují použít více různých technologických postupů najeden substrát (základní desku), také optoelektronické součástky. Používají se též při výroběCD disků, hologramů, při nanášení speciálních povrchů na určité materiály atd.Bez mikroelektroniky by nebylo dnešních počítačů, televizorů, mobilů, prostě žádnémoderní elektronické zařízení. V každém dnešním elektronickém výrobku nalezneteintegrované obvody. A právě o podstatě těchto a dalších součástek pro mikroelektroniku budeřeč v předmětu Elektronické součástky.Předmět Elektronické součástky je právě jedním z těch předmětů, které uvádí studenty donáročnějších oblastí studia, zvláště pak v laboratorních cvičeních dává možnost ověřeníplatnosti řady teoretických poznatků.Co je tedy náplní tohoto studia. Jsou to základy fyziky polovodičů, vlastnosti přechodu PN,polovodičová dioda, bipolární a unipolární tranzistor, další nejen polovodičové součástkynezbytné pro konstrukci elektronických obvodů.2 Zařazení předmětu ve studijním programuPředmět Elektronické součástky je zařazen v tříletém bakalářském studijním programuELEKTROTECHNIKA, ELEKTRONIKA, KOMUNIKAČNÍ A ŘÍDÍCÍ TECHNIKA jakopovinný a společný pro všechny obory. Je vyučován v letním semestru prvního ročníku studiav rozsahu 26 hodin přednášek, 13 hodin numerických cvičení a 26 hodin laboratorníchcvičení.2.1 Úvod do předmětuToto skriptum je určeno studentům na úrovni druhého semestru prvního ročníkubakalářského studia. Obsahuje celkem 11 úloh tak, aby aktivně obsáhly celý rozsah výuky .Jednotlivé kapitoly představují laboratorní úlohy v souladu s náplní přednášek a majíjednotnou koncepci. Vždy za názvem kapitoly, tj. názvem laboratorní úlohy následuje úkol,pokyny pro měření, vlastní měření a jeho vyhodnocení. Na konci kapitoly jsou teoreticképoznámky, které by studentovi měly usnadnit přípravu na cvičení.Podkapitola „Měření a jeho vyhodnocení“ zahrnuje připravené tabulky a souřadnicovésítě, které umožňují snadné grafické zpracování naměřených event. vypočtených hodnot.Předpokládá se také, že část se zadáním a část „Měření a jeho vyhodnocení“ bude vytištěna aodevzdána učiteli v laboratoři ke kontrole. Tento systém také umožní dobře připravenýmstudentům odevzdání zpracovaných výsledků měření ještě v rámci daného laboratorníhocvičení.Laboratoře sloužící pro výuku předmětu Elektronické součástky umožňují základníměření parametrů elektronických součástek a jejich jednoduchých aplikací v analogovýchobvodech.Ve vybavení laboratoří jsou digitálními multimetry METEX 3800, osciloskopy

6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně5506 (60 MHz), digitálními osciloskopy Tektronix TDS 210, generátory funkcí 8205A,napájecí zdroje TSZ 75, AUL 310, BS 554, nepájivá kontaktní pole a řada dalších výukovýchprostředků.2.2 Vstupní testJako základ pro snadné zvládnutí praktického cvičení se předpokládá jistá znalostz přednášek předmětu ESO. Nezbytná je základní znalost vlastností a chování elektronickýchprvků a součástek pro úspěšné absolvování cvičení. Pro stručné zhodnocení znalostí lze využítnásledující krátké otázky a příklady. Odpovědi a případná řešení naleznete na konci tohotoskripta.1. Nakreslete základní strukturu bipolárního tranzistoru a vysvětlete podstatutranzistorového jevu.2. Uveďte složky proudu v bipolárním tranzistoru typu NPN.3. Do čtyř kvadrantů souřadného systému zakreslete základní charakteristikybipolárního tranzistoru.4. Uveďte používané pracovní režimy tranzistoru.5. Uveďte tři základní zapojení bipolárního tranzistoru a jejich vlastnosti.6. Jak jsou vyjádřeny zesilovací schopnosti tranzistoru ?7. Nakreslete Ebersův-Mollův model tranzistoru a uveďte význam jehojednotlivých prvků.8. Co je to bezpečná pracovní oblast tranzistoru – jak ji lze vyjádřit ve výstupníchcharakteristikách ?9. Za jakých okolností dochází k průrazům tranzistorové struktury10. Co je to Earlyho jev ?11. Co jsou linearizované modely tranzistoru a jaký mají vztah k parametrůmdvojbranu ?12. Jak jsou vyjádřeny mezní kmitočty bipolárního tranzistoru ?13. Jak pracuje bipolární tranzistor ve funkci spínače ?14. Jak se provede volba a nastavení pracovního bodu zesilovače s bipolárnímtranzistorem.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 73 V-A charakteristiky polovodičových diod Úloha č. 1Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol:1. Změřte V-A charakteristiky zadaných polovodičových součástek2. Naměřené hodnoty vyneste do grafuZadané diody: germaniová (Ge), křemíková (Si), Schottkyho (Sch), Luminescenční (LED)(konkrétní typy budou upřesněny)3.1 Pokyny pro měření:1. Diody zapojte podle zadaného schématu a postupně proveďte měření v propustném azávěrném směru2. Pro měření proudu diod v závěrném směru použijte přístroj METEX na rozsahu 20µA. Natomto rozsahu je nejmenší odečítatelná hodnota proudu 10 nA.3. Charakteristiky v propustném směru zakreslete do společného grafu pro možnost jejichsrovnání.4. Jelikož jsou závěrné proudy křemíkové a luminescenční diody řádově odlišné od diodygermaniové a Schottkyho, je vhodné jejich závěrné charakteristiky zakreslit do dvou grafů.5. Charakteristiku změřte v 10-15 bodech dle tvaru charakteristiky. V oblasti zlomucharakteristiky je třeba vždy změřit nejméně 3 body.Omezení: Hodnoty U a I by neměly překročit:v propustném směru: I Fmax = 15 - 20 mAv závěrném směru: U Rmax = 25 V, pro LED 20 VOchranný odpor (pro omezení proudu) R o = cca 1 kΩVA- charakteristika propustném směruObvod zapojte podle uvedenéhoschématu a postupně zvětšujte vstupnínapětí U 1 . Odečtené proudy zapisujte dotabulky a následně zakreslete do grafu. Prorozpoznání elektrod diody použijtemultimetr .VA- charakteristika v závěrném směruObrázek 1: Propustný směrPostupujte jako v případě 1a. Při napětípřes 15V sledujte pozorně proud, abynedošlo k překročení maximálníhozávěrného napětí a k poškození diody(zvláště u LED).Obrázek 2: Závěrný směr

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně3.2 Měření a jeho vyhodnoceníP Ge Z P Si Z P Schot Z P Lum ZI F U F I R U R I F U F I R U R I F U F I R U R I F U F I R U R[mA] [V] [µA] [V] [mA] [V] [nA] [V] [mA] [V] [µA] [V] [mA] [V] [nA] [V]Charakteristiky:↑ I F[mA]Propustný směr(všechny diody)0U F[V]→←U R[V]0Závěrný směrGe, Schot.I R[µA] ↓

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 9←U R[V]0Závěrný směrSi, LEDI R[nA] ↓Závěr:

10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně3.3 Teoretické poznámky3.3.1 Vlastnosti polovodičových diodPolovodičová dioda je součástka, jejíž činnost je založena na vlastnostech přechodu P-N nebopřechodu kov-polovodič (Schottkyho dioda).U FU RPNP (N)KOVObrázek 3: Schematická značka a uspořádání stavebních prvků diodyZákladní vlastností diody je vedení elektrického proudu pouze jedním směrem (IF). Přizapojení v tomto tzv. propustném směru, kdy na anodě je kladné napětí proti katodě (UF).Je-li dioda zapojena v tzv. závěrném směru je přiložené napětí (UR) pólováno opačně, tj. naanodě (-), na katodě (+) a proud jí prakticky neprotéká (pouze malý závěrný proud IR).+R 0I F+R 0I RUU FUU R-Obrázek 4: Zapojení diody v propustnémsměru-Obrázek 5: Zapojení diody v závěrnémsměruZákladní informace o vlastnostech polovodičové diody poskytuje její voltampérovácharakteristika. Závislost proudu na napětí je u polovodičových diod nelineární –exponenciální.Je dána Shockleyho rovnicí ideální diody:I=Um.UTI0.(e− 1)IUkde:U T - teplotní napětí, které je rovno kT/q, k - Boltzmanova konstanta (1,38.10 -23 JK -1 s -1 ),q - náboj elektronu (1,602.10 -12 C),T - absolutní teplota [K](U T pro 300K je přibližně 26 mV)

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 11U - napětí na přechodu PN [V]I - proud procházející přechodem [A]I 0 - saturační proud (pro Si 10 -15 – 10 -9 A, pro Ge 10 -8 – 10 -2 A)m - multiplikační činitel (není-li uveden, předpokládá se m=1, pro Si m=2)Saturační proud I 0 závisí na:• koncentraci příměsí N A , N D ,• ploše přechodu A,• na teplotě T (jednak přímo a exponenciálně přes vlastní koncentraci n i ),• na době života minoritních nosičů τ n a τ p.I FMI 0-U BR U RSM U RRMU P UI FI3.3.2 Označování parametrů diodObrázek 6: Význačné hodnoty na VA-charakteristiceObvyklé označení význačných hodnot U a I u diodyU F - napětí na diodě v propustném směruU R - napětí na diodě v závěrném směruU RWM , U Rmax - maximální pracovní závěrné napětíU RRM - opakovatelné špičkové napětí - nejvyššípřípustná hodnota závěrného napětí, kteroulze periodicky zatížit diodu v celém rozsahupracovních teplot.U RSM - neopakovatelné špičkové napětí – nejvyššípřípustná (okamžitá) hodnota závěrnéhonapětí, která náhodně vznikne při provozu.U RBR , U BR – průrazné napětí – napětí, při kterémdochází ke zničení přechodu PNU P - prahové napětí diodyI F - proud diodou v propustném směruI R - proud diodou v závěrném směruI FM - maximální proud v propustném směruVýznam indexů u napětí a prouduF, D - Forward , Direct – propustný směrR - Reverse – závěrný směr(jako první písmeno indexu)R - Repeatable – opakovatelné(jako druhé písmeno indexu)W - Work – pracovní(jako druhé písmeno indexu)M - Maximum – maximální(jako poslední písmeno indexu)BR - Breakdown – průrazné(jako poslední dvojice písmenv indexu)RMS - Real Mean Square – efektivníhodnotaAV - Average – střední hodnota

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně3.3.3 Přehled parametrů běžně používaných diod :Germaniová dioda:- rychlé spínání (velká pohyblivost nosičů b),- malé prahové napětí (0,3 V až 0,5 V),- malé závěrné napětí, nízká mezní teplota (75°C),- poměrně velké závěrné proudy (v důsledku velkého n i ), a tím značná teplotní závislost.Křemíková dioda:- poměrně pomalé spínání (malá pohyblivost b!!),- velké prahové napětí (0,5 V až 1,1 V),- vysoké závěrné napětí,- vysoká mezní teplota (150°C),- malé závěrné proudy (vlivem poměrně malého n I ), a tím malá teplotní závislost.Schottkyho bariérová diodaObsahuje kovový kontakt na polovodiči N (nejčastěji Si nebo GaAs), čímžvzniká závěrná vrstva takového druhu, že při pólování v přímém směru prochází proud(pouze elektronů) z oblasti N do kovu - jde o proud v jednom směru (unipolárni).- malý úbytek napětí v propustném směru (menší než 0,5 V)- neuplatňují se minoritní nosiče náboje, proud je přenášen pouze nosiči majoritními- diody dosahují vysokých rychlostí vypínání a zapínání (kmitočet až 1 MHz)- (Protože se při průchodu proudu nehromadí minoritní nosiče, projevuje se pouze nepatrnýkapacitní efekt, a může tak tato dioda při změně polarity signálu z přímého do zpětného směrututo změnu sledovat rychleji než běžný typ s přechodem PN)- ve srovnání s diodami s PN přechodem mají větší závěrný proud, který je výrazněji závislý nateplotě.0,10,08I [A]FSchottkyGeSiGaAs0,06Propustná oblast0,04U [V] R1,0 0,8 0,6 0,4 0,2GaAsI0Si0,020 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01001,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7U [V] FZávěrná oblast200300Ge600SchottkyR900I [nA]Obrázek 7: V-A charakteristiky různých typů diod – typické průběhy

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 134 Dioda jako usměrňovač Úloha č. 2Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol:Ověřte vlastnosti Si diody jako sériového a paralelního usměrňovače4.1 Pokyny pro měřeníSériový usměrňovačPostup:1) Zapojte diodu jako sériový usměrňovač podle obr.1, zobrazte průběhy vstupního a výstupníhonapětí na osciloskopu pro nízký kmitočet (cca100Hz) a pro vyšší kmitočet (cca 10kHz a vícepodle typu diody tak, aby byl vidět projevzotavovací doby). Pro určení zotavovací dobyzvolte takový kmitočet, při kterém překmit dozáporné půlperiody nepřekročí polovinu amplitudyvstupního napětí. Průběhy překreslete, okótujte aurčete zotavovací dobu.2) Na výstup usměrňovače zapojte filtračníkondenzátor a zakreslete průběhy z osciloskopu- pro nízký kmitočet (cca 1kHz) s kondenzátoremC = 33nF a 220nF- pro vyšší kmitočet (cca 10kHz) opět se stejnýmikondenzátory a průběhy porovnejte.3) Pro kmitočty 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz určeteusměrňovací účinnost usměrňovačeU0η = 100%⋅U1mU 1m je amplituda vstupniho napětíU 0 je stř. hodnota výstupního napětí (změřtemultimetrem bez kondenzátoru na výstupu)Obrázek 8: Sériový usměrňovača určení zotavovací dobypozorovaného průběhu.Napětí u 2 je obrazem proudu I.A,B – vstupy osciloskopuG - generátor funkcíParalelní usměrňovač1) Zapojte diodu jako paralelní usměrňovačpodle obr. 2.2) Zakreslete průběhy z obrazovky prokmitočet 100Hz, 1kHz, 50kHz.3) Průběhy okótujte a při kmitočtu 100Hzodečtěte hodnotu prahového napětí U P .4) Z průběhů určete pro kmitočty podle bodu 2fázové posuny výstupního napětívzhledem k vstupnímu napětí.5) (V případě, že by se, vzhledem parametrůmdiody, fázový posun neprojevil, zvyšujtekmitočet, až uvedený jev nastane).u 2uUuu2Obrázek 9: Paralelní usměrňovač a průběhy napětíϕ

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně4.2 Měření a jeho vyhodnoceníPrůběhy pozorované na osciloskopu zakreslete, proveďte popis os a vyhodnoťte !Závěr:

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 154.3 Teoretické poznámky4.3.1 Dynamický režim polovodičové diodyRychlost klesání proudu diodou při poklesu napětí je závislá i na parazitníchparametrech jako je např. seriová indukčnost přívodů (cca 100nH) a seriový odpor (cca 0,2Ω).Parametry skutečné diody jsou v praxi závislé na řadě parazitních vlivů.LRDRC DC TR P - svodový odpor diody (uplatní sev závěrném směru)C D - difúzní kapacita (uplatní sev propustném směru)C T - bariérová kapacita (uplatní sev závěrném směru)R S - odpor materiálu diody a odporpřívodů (10 -1 - 10 2 Ω)L S - indukčnost přívodůD - ideální diodaObrázek 10: Náhradní schéma diody z lineárních obvodových prvkůKonkrétní náhradní schéma je třeba vždy sestavovat podle podmínek za kterých budedioda pracovat, především podle rychlosti dějů, které bude zpracovávat.R PRR dC p - bariérová a difuzní kapacita C T + C D- dynamický odpor diodyR d4.3.2 Náhradní odpor diodyC pObrázek 11: Náhradní schéma diody pro nízké kmitočtyStatický odpor R Spro konkrétní bodcharakteristikyR =SUIF1F1Dynamický odpor R d - je dán strmostí VAcharakteristiky (v propustném směru se blíží nule)mR = Ud. tgαmIαPro oblast prahového napětí jsou oba odporypřibližně stejnéU F1a rovnají se v podstatě odporu polovodičovéhomateriálu.Obrázek 12: Statický a dynamický odpor z VA-charakteristikyI F1

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněJedním z mezních parametrů diody, který určuje její užitné vlastnosti je dynamickýparametr označovaný jako doba závěrného zotavení t rr (Reverse Recovery). Udává, jakrychle dioda dokáže přejít z propustného do závěrného režimu a blokovat průchod proudu.Dioda se tedy stává nevodivou až po uplynutí doby závěrného zotavení t rr . Pro Schottkyhodiody a diody GaAs je t rr řádově 10 -12 s. Tuto dobu lze stanovit z časové závislosti i D (t).Zotavovací dobu je možné také určit z průběhu výstupního napětí u 2 (viz první úloha zadání),které je obrazem proudu protékajícího diodou. Pro její určení se používá např. tečnyk překmitu (jak je naznačeno na obrázku v zadání, nebo časový interval pro pokles na 1/10velikosti překmitu.Při změně polarity napětí na diodě pokles proudu pokračuje i do záporných hodnot, protožedochází k postupnému odčerpávání injektovaných minoritních nosičů náboje, které se v dioděnahromadily při propustné polarizaci. Tzn., že postupně dochází k opětnému rozšíření oblastiprostorového náboje.1MHz3MHzc5MHzUvedené průběhy byly získány simulacív programu Multisim pro diodu BA 228.Z průběhů je zřejmé, že při určitémkmitočtu se dioda jako usměrňovač stávánepoužitelnou.eObrázek 13: Příklady průběhů výstupního napětí sériového usměrňovačepro diodu BA 228

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 175 Dioda jako řízený odpor Úloha č. 3Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol: Ověřte dynamické vlastnosti řízeného přenosového článku s Si diodou5.1 Pokyny pro měřeníPřenos článku s řízenou diodoupodle zapojení 1Přenos článku v dB:U2A = 20log [dB]U1Změřte, vypočítejte a vyneste dografu :a) přenos jako funkci kmitočtu fA f1 = f(f) pro U r = konst.b) přenos jako funkci řídicíhonapětí U rA U1 = f(U r )pro f = konst.Volte:U 1 = cca 100mVU r = 0 - 30VC V = 1µFf = 50Hz – 2MHzVšechna napětí odečítejte z obrazovkyosciloskopu.U 1 ,U 2 – amplitudy vstupního a výst.harmonického napětí u 1 ,u 2Pro zapojení 2 proveďte stejnéměření jako pro zapojení 1Získané přenosyA f2 = f(f) a A U2 = f(U r )zakreslete do odpovídajících grafů prozapojení 1 a výsledky porov-nejte.(Pro závislost přenosu na kmitočtu jevhodné použít semi-logaritmickýpapír).Obě zapojení jsou pasivní články,proto jejich přenos musí být menší než1.Obrázek 14: Zapojení 1- Výstupní napětí generátoru při změně kmitočtu nemusíbýt konstantní, proto je třeba v průběhu měření je stálekontrolovat !- Pro získání napětí 100mV z generátoru je třeba zapnoutvýstupní zeslabovací článek tlačítkem ATT nebo použít navstupu odporový dělič cca 1:10.Obrázek 15: Zapojení 2u 1 = U 1 .sin(ωt)Jestliže je osciloskop přepnut na střídavý vstup (AC), nenítřeba použít na výstupu obvodu oddělovací kondenzátor C v .

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně5.2 Měření a jeho vyhodnoceníU 2 = f(U R ) při f = konst. U 1 = 100mV, f = 1kHz, U R = 0 - 30V pro obězapojení.Obě osy grafu budou lineární. Průběhy pro obě zapojení zakreslete do jednohosouřadného systému.Zapojení 1U R [V]U 2 [V]A U1 [dB]Zapojení 2U R [V]U 2 [V]A U2 [dB]U 2 = f(f) při U R = konst. U 1 = 100mV f = 50Hz – 2MHz, U R =Řídicí napětí U R nastavte na takovou hodnotu, kdy výstupní napětí U 2 právě přestanebýt znatelně zkreslené.Osa grafu A v dB bude lineární, osa kmitočtu f bude logaritmická.Průběhy pro obě zapojení zakreslete do jednoho souřadného systému.Zapojení 1f [Hz]U 2 [V]A f1 [dB]Zapojení 2f [Hz]U 2 [V]A f2 [dB]U kmitočtové charakteristiky se při nízkých kmitočtech projeví pokles vlivem velkéreaktance vazebního kondenzátoru Cv.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 1900 10 20 301020300,01 0,1 1 10 100 1000 100000102030Závěr:

20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně5.3 Teoretické poznámky5.3.1 Dynamický režim diodyPředpokládáme, že vstupní střídavé napětí u 1 je ve srovnání s řídícím napětím U r velmi malé,a že tak jeho změna zásadně neovlivňuje polohu pracovního bodu diody. Aby diodou vůbecprotékal nějaký proud musí být U F > U r + U 1 , tedy součet řídicího napětí a amplitudyvstupního signálu musí být větší než prahové napětí diody. Bude-li tento součet menší, pakvýstupní signál bude nulový.Obrázek 16: Pracovní režim diody v zapojení 1Řídicí napětí U r odpovídá napětí na diodě U F (viz obr.16) a určuje při daném rezistoru R 1 ,polohu pracovního bodu (P 1 ,P 2 ) diody na VA-charakteristice a velikost jejího dynamickéhoodporu r d (viz úloha 2). Při stálém vstupním napětí u 1 závisí proud diodou a napětí napracovním rezistoru R 1 na poloze pracovního bodu, a tedy na velikosti napětí U r. Z obrázku jezřejmé, že jestliže bude pracovní bod v oblasti velkého zakřivení charakteristiky, budedocházet ke značnému zkreslení střídavého signálu u 1. Jestliže bude pracovní bod ve strmépřímkové části, bude amplituda výstupního signálu největší a nezkreslená. Poměry v obvoduz hlediska střídavého signálu lze vyjádřit pro zapojení 1 následujícím náhradním schématem(za předpokladu, že zdroj napětí U r je stabilizovaný lze předpokládat, že jeho vnitřní odpor jeroven nule):Přenos obvodu A je dán dělícím poměrem děliče z rezistorů r d a R 1. Tento dělící poměr jeproměnný, závislý na dynamickém odporu diody r d , jehož velikost je dána polohoupracovního bodu, a tedy řídicím napětím U r .Přenos je pak v souladu s náhradním schématem:UA =U21=RR +1Obrázek 17: Náhradní schéma pro zapojení 11r d, v decibelech :UU2A dB= 20log [dB]1

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 21Pro zapojení 2 vypadá náhradní obvod následovně:Obrázek 18: Náhradní schéma pro zapojení 2Obrázek 19: Pracovní režim diod pro zapojení 2Budou-li rezistory R1 a R2 stejné a budou-li stejné i diody, pak oběma diodamipotečou stejné proudy a jejich dynamické odpory budou stejné.Nelinearity obou diod se budou vzájemně kompenzovat a proto zkreslení výstupníhosignálu bude podstatně menší než v zapojení 1 (viz obr.19).

22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně6 Stabilizační dioda Úloha č. 4Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol:1. Změřte VA-charakteristiku dané stabilizační diody2. Navrhněte a proměřte zdroj referenčního napětí se stabilizační diodou6.1 Pokyny pro měření1a) Změřte voltampérovou charakteristikudané stabilizační diodyv závěrném směru v zapojení podleschématu pro rozsah prouduI D = 0 až cca 60mA a vyneste do grafu1b) Určete stabilizační napětí U Z .- Stabilizační napětí zadané diody U Zmůže být v rozsahu cca 4,7 - 16V.Obrázek 20: Měření VA-charakteristikyR 0 = cca 220Ω2a) Vypočtěte odpor rezistoru R 1 proR 2 = 500Ω.Napětí U 1 zvolte přibližně jako dvojnásobekstabilizačního napětí (podlezměřené diody).Pracovní bod zvolte pro I D = 50mA.R1U=I1− UID+2b) Proveďte měření na sestavenémstabilizátoru.Zvolte změnu vstupního napětíU 1 (± ∆u 1 ) o ±1Va odečtěte odpovídající změnuU 2 (± ∆u 2 ).22Obrázek 21: Měření na stabilizátoruZ naměřených hodnot určete poměrnýčinitel napěťové stabilizace∆u1/ U1U2∆u1SU= = ⋅∆u2/ U2U1∆u2a dynamický odpor v pracovním boděrD2.∆u=2 . ∆i2D

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 236.2 Měření a jeho vyhodnoceníVA-charakteristika - tabulka naměřených hodnot - grafU D [V]I D [mA]U D [V]0I D[mA]Návrh stabilizátoru:U1− U 2R1= =I + ID2Poměrný činitel napěťové stabilizace: U 1 = U 2 = Pro ∆u 1 =1V je ∆u 2 =SU=∆u1/ U∆u2/ U12=UU21∆u⋅∆u12=Dynamický odpor diody:2.∆u2rD= =2 . ∆iD

24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně6.3 Teoretické poznámky6.3.1 Stabilizační diodaStabilizační dioda je polovodičová dioda jejíž vlastnosti v propustném směru odpovídajívlastnostem běžné křemíkové diody. V závěrném směru však vlivem tenkého přechodu PN asilně dotovaného materiálu polovodiče dochází k nedestruktivnímu průrazu. Do závěrnéhonapětí asi 6V se jedná o tzv. tunelový jev od napětí vyšších o lavinový jev. Vzhledem k tomu,že při těchto jevech jsou teplotní závislosti opačného charakteru, jsou diody se stabilizačnímnapětím kolem 6V vhodné pro konstrukci referenčních zdrojů.6.3.2 Stabilizátory napětíStabilizátory napětí mají za úkol udržovat na svém výstupu stálé napětí U 2 v co největšímrozsahu změn napájecího napětí U 1 a výstupního proudu I 2 (Obr.23).Obrázek 22: Pracovní oblast stabilizační diodyPro konstrukci stabilizátorů se využívá rozsáhlé oblasti závěrné části VA-charakteristiky zajejím ohybem po vzniku průrazu. Oblast proudů 0 až I Dmin (Obr.22) nemá pro toto použitívýznam. Nastavení pracovního bodu za ohyb charakteristiky je možné provést vhodnouvolbou rezistoru R 1 (Obr.IV-4). Výsledný pracovní bod P stabilizační diody je průsečíkemzatěžovací přímky a VA-charakteristiky. Zatěžovací přímka prochází body U 1 (napětínaprázdno) a I k (proud nakrátko).Obrázek 23: Zapojení stabilizátoruStabilizátor bez odběru proudu, tj. bez zatěžovacího rezistoru R 2 nemá prakticky smysl.Rezistor R 2 zpravidla představuje proměnnou zátěž. Napájecí napětí zdroje se obvykle volínejméně jako dvojnásobek stabilizovaného výstupního napětí U 2 . Podle Obr.IV-4 je zřejmé,že proud ze zdroje I = I D + I 2 . Při stálém vstupním napětí U 1 a proměnném rezistoru R 2 budoupoměry v obvodu následující:poklesne-li proud I 2 , stoupne proud I D , stoupne-li I 2 , poklesne I D .

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 25+∆ u 1 U 1 -∆ u 1 U 2± ∆ u 2I k = U 1/R 1UZatěžovacípřímkaPro větší čitelnost obrázkuje strmost charakteristikyzáměrně zmenšenaPI D ± ∆i DI DmaI RI DmiObrázek 24: Režim činnosti stabilizátoruPři velkém poklesu I 2 dojde k velkého nárůstu I D a je nebezpečí překročení dovolenévýkonové ztráty na diodě. Při velkém nárůstu I 2 , tj. velkém poklesu I D se může pracovní boddostat pod hodnotu I Dmin mimo pracovní oblast charakteristiky.Vliv změny vstupního napětí na velikost výstupního napětí při stálé zátěži je patrný z obr.IV-5. Je zřejmé, že změna U 2 je ve srovnání se změnou U 1 výrazně menší, zvláště uvážíme-lipoznámku o čitelnosti obrázku.Pro zvolený pracovní bod P lze hodnotu rezistoru R1 určit ze vztahu:U1− U2R1=ID− I2Aby bylo možné posoudit kvalitu stabilizace tj. odolnost proti změnám výstupního proudunebo změnám vstupního napětí, proudové nebo napěťové stabilizace.Činitel proudové stabilizace:∆u2SI=∆i2Činitel napěťové stabilizace:∆u1SU=∆u2Poměrný činitel napěťové stabilizace:∆u1/ U1U2∆u1SU= = ⋅∆u2/ U2U1∆u2Čím je hodnota stabilizačního činitele vyšší, tím je stabilizace kvalitnější.Z odpovídajících změn napětí a proudu v okolí pracovního bodu lze určit i dynamický odpordiody v pracovním bodě :2.∆u2rD=2 . ∆iDKvalita stabilizace bude tím vyšší, čím bude dynamický odpor menší. Toto je nejzřetelnějšíz průběhu VA-charakteristiky. Čím je strmější, tím je r D menší. Diody s malým stabilizačnímnapětím (do cca 10V) mají charakteristiku strmější ve srovnání s diodami pro vyšší napětí(>18V). Proto se stabilizační diody pro vyšší napětí obvykle vytváří sériovým spojením diodpro nižší napětí. Dosahuje se tím také menší teplotní závislosti.

26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně7 Bipolární tranzistor - VA-charakteristiky Úloha č. 5Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol:1. Pro zapojeníse společným emitorem změřte výstupní charakteristikuI C = f (U CE ) / při I B = konst. (5 křivek)2. Změřte vstupní charakteristiku I B = f (U BE ) / při U CE = konst. (2 křivky)3. Změřte převodní charakteristiku I C = f (I B ) / při U CE = konst. (2 křivky)4. Do grafu vyneste změřené charakteristiky a sestrojte převodnícharakteristiku z výstupních a porovnejte se změřenou charakteristikou.5. Určete h-parametry v pracovním bodě.7.1 Pokyny pro měření1. Výstupní charakteristikaPro daný tranzistor nastavtepostupně proud bázeI B = 10; 20; 40; 60; 80; 100 µA.Pro každou hodnotu I B změřtezávislostI C = f (U CE ) / při I B = konst.pro I C max = cca 20mA, to bude přiU CE =10VPozn. V případě, že I C při zadanýchhodnotách I B je I C >20 mA , volte nižšíhodnoty I B , např. 30, 40, 50 µA.2. Vstupní charakteristikaI B = f (U BE ) / při U CE = konst.Pro U CE = 5 a 7V nastavujtenapětí U BE tak, aby odpovídajícíproudy báze byly opět 10; 20; 40;60; 80; 100 µAObrázek 25: Zapojení pro měření3. Převodní charakteristikaI C = f (I B ) / při U CE = konst.Pro zvolené hodnoty UCE (5 a 7V) zjistěte zadanou závislost.4. Zvolte vhodná měřítka a charakteristikyzakreslete do zadaného souřadného systému.hZ naměřených závislostí vyjádřete hybridní parametry náhradního lineárního obvodupro pracovní bod P (U CE = 5V, I B = 30µA).Vstupní odpor [ Ω ]11e⎡∆U= ⎢⎣ ∆IBEB⎤⎥⎦UCE= konst.Proudový zesilovací činitel (β)h21e⎡∆I= ⎢⎣∆ICB⎤⎥⎦UCE= konst.Zpětný napěťový přenosh12e⎡∆U= ⎢⎣∆UBECE⎤⎥⎦IB= konstVýstupní vodivost [S]h22e⎡ ∆I= ⎢⎣∆UCCE⎤⎥⎦IB= konst.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 277.2 Měření a jeho vyhodnoceníVýstupní charakteristikaI B =U CE [V]I C [mA]I B =U CE [V]I C [mA]I B =U CE [V]I C [mA]I B =U CE [V]I C [mA]I B =U CE [V]I C [mA]I C = f (U CE ) / při I B = konstVstupní charakteristikaI B = f (U BE ) / při U CE = konst.U CE =U BE [V]I B [µA]U CE =U BE [V]I B [µA]Převodní charakteristikaI C = f (I B ) / při U CE = konst.U CE =I B [µA]I C [mA]U CE =I B [V]I C [µA]

28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněIBPřevodníVstupníICUBEVýstupníUCE

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 297.3 Teoretické poznámky7.3.1 Bipolární tranzistorBipolární tranzistor se skládá alespoň ze tří různě dotovaných oblastí tvořících dva přechodyPN v těsném uspořádání. Principiální uspořádání tranzistoru NPN a PNP je na obr.V-2. Názvyemitoru a kolektoru respektují skutečnost, že silně dotovaný emitor N ++ (event. P ++ ) emitujeelektrony (event. díry) do úzké báze P + (event. N + ), kterou většina z nich projde a jepřitahována kolektorem N (event. P). Množství prošlých částic z emitoru do kolektoru lzepřitom ovládat velikostí proudu báze. Elektrické parametry jsou závislé na stupni dotace arozměrech jednotlivých oblastí. Emitor je tedy dotován nejvíce, kolektor nejméně.NPNEEmitorN ++ P + PNPN P ++ N + PI CEI CCEmitorKolektorI BBBázeBCEBBázeObrázek 26: Rozdělení proudů v bipolárním tranzistoruBCEI BCKolektor7.3.2 Princip činnostiBipolární tranzistor se skládá ze dvou P-N přechodů (báze-emitor BE a báze-kolektor BC),které lze polarizovat čtyřmi možnými způsoby. Odtud pak vyplývají čtyři možné režimyčinnosti. Podle polarizace přechodů P-N tranzistoru NPN je jejich přehled možnýchpracovních režimů uveden v následující tabulce ve výstupní VA-charakteristice na obr.V-4.Polarizace přechodu BE Polarizace přechodu BC RežimU B < U Te U BC ≤ 0 Závěrný - NevodivýU BE ≥U Te U BC < 0 Normální aktivníU BE < 0 U BC ≥ U Tc Inverzní aktivníU BE > U Te U BC > 0 Saturace(U Te je prahové napětí emitorového a U Tc kolektorového přechodu).Obrázek 27: Nevodivý režim tranzistoruV nevodivém režimu (obr. 27, zapojení SE) představuje přechod B-E energetickou bariérubránící průchodu elektronů z emitoru do báze a děr z báze do emitoru. Do kolektoru mohoubýt elektrickým polem závěrně polarizovaného přechodu B-C extrahovány jen minoritní

30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněelektrony z úzké báze, kterých je ale málo.V zapojení na obr. 27a,b,c je výsledkem tohoto stavu průtok malého, tzv. zbytkového proudu.Pro zapojení a) je tento proud režim saturaceoznačen I CES , kde S značí zkrat U BE > 0, U BC > 0 U BC = 0(Short) báze na zem. Zbytkovýhranice režimuproud je z uvedených zapojení I Csaturacenejmenší. V případě b) je celýproud I CB0 přechodu B-Czesilován na přechodu B-E a I CE0je tak ze všech případů největší. Vzapojení c) je zbytkový proud I CERve srovnání s b) menší, protože ječást proudu I CB0 odvedenarezistorem R. Výrazného sníženízbytkového proudu lze dosáhnoutzapojením zdroje napětí do báze(namísto rezistoru R) tak, žezávěrně polarizuje přechod B-E.Pro daný tranzistor tedy závisíhodnota zbytkového proudu nazpůsobu jeho zapojení do obvodu.Jednotlivé pracovní oblasti jsouve VA-vyznačeny na obr. 28charakteristikách.režim aktivní normálníU BE > 0, U BC < 0režim závěrnýU BE < 0, U BC < 0Obrázek 28: Pracovní režimy tranzistoruCharakteristikypřevodnívýstupní= f I )I C [mA] = f ( U )U CE > 0,5 VI BI B = 0U CEU BE = 0hranice závěrnéhorežimuIC(BIU = konstCCE I = konstCEI CBTypické charakteristikybipolárního tranzistorupro tranzistor NPN vzapojení SEI B [µA]PI B[µA]U CU CE [V]I BU CE > 5 VU CE = 0vstupní= f U )Obrázek 29: Síť charakteristikzpětné= f ( U )U BEI [mV]B( UBECEBE U CE = konstI B = konst

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 317.3.3 Popis bipolárního tranzistoru rovnicemi dvojbranuBipolární tranzistor jako zesilovač je do obvodu připojen prostřednictvím dvou párů svorek –vstupních a výstupních. Jedna svorka je vždy společná vstupu i výstupu. Podle elektrody,která je společná jsou rozlišena tři zapojení tranzistoru - se společnou bází (SB), sespolečným kolektorem (SC) a se společným emitorem (SE). Z tohoto hlediska je možné jej,posuzovat jako dvojbran, který lze popsat čtyřmi soustavami rovnic sestavených ze dvou párůveličin, popisujících vstupní a výstupní svorky dvojbranu - u 1 , i 1 a u 2 , i 2 (obr.30). Jsou totzv. rovnice kaskádní, impedanční, admitanční a hybridní. Konkrétní soustava rovnic propopis tranzistoru se vždy volí podle konkrétních požadavků, zapojení a typu tranzistoru. Prozapojení se společným emitorem se užívá popisu rovnicemi hybridními:u 1 = h 11 i 1 + h 12 u 2i 2 = h 21 i 1 + h 22 u 2i 1u 2u 1i 2u BE = h 11e .i B + h 12e .u CEi C = h 21e .i B + h 22e .u CEJestliže se připustí možnostlinearizace charakteristik tranzistoruv rámci pracovní oblasti, lze vytvořittzv. náhradní lineární obvod (NLO)s řízenými zdroji napětí a proudupodle obr.31.Obrázek 30: Obecný dvojbranObrázek 31: Náhradní lineární obvodKoeficienty (tzv. hybridní) v rovnicích lze vyjádřit z mezních pracovních stavů obvodu,tj. ze stavu nakrátko a naprázdno ze strany vstupu a výstupu. V těchto režimech bude vždyjedna veličina rovna nule a výsledné vztahy pro koeficienty h budou vypadat následovně:i Bu BEh 12 .u CEi Ch 11h 22u CEZe strany vstupu - výstup nakrátko⎡uBE⎤h11e⎢ ⎥Ω⎣ iB ⎦= Vstupní odpor [ ]uCE= 0Ze strany výstupu - vstup naprázdno⎡u⎤BEh12e= Zpětný napěťový⎢ ⎥⎣uCE ⎦ přenosIB= 0h21e⎡i= ⎢⎣iCB⎤⎥⎦uCE= 0Proudový zesilovacíčinitel (β)h22e⎡ i⎢⎣uC= Výstupní vodivost [S]CE⎤⎥⎦I B = 0Index e zdůrazňuje, že se jedná o zapojení se společným emitorem. U rovnic je uveden ifyzikální význam koeficientů h a jejich rozměr. Koeficienty jednotlivých typů rovnic(kaskádní, impedanční, admitanční a hybridní) lze vzájemně převádět. Pro některá zapojenínemusí mít některé typy koeficientů smysl.Bipolární tranzistor potřebuje ke svému buzení výkon do bázového (v zapojení se společnýmemitorem) nebo emitorového (v zapojení se společnou bází) obvodu. Z popsaného principufunkce bipolárního tranzistoru totiž plyne, že primární veličinou ve vstupním obvodu jeproud, který teče buď do báze (zapojení SE) nebo do emitoru (zapojení SB) bipolárního

32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brnětranzistoru. Tato vlastnost neumožňuje integrovat větší množství (řádově tisíce) bipolárníchtranzistorů na jediném čipu, neboť generované Jouleovo teplo by miniaturní čip nebylschopen odvést. Bipolární tranzistory se proto používají zejména v analogovýchintegrovaných obvodech, kde není tak vysoká hustota integrace, a v číslicových obvodechmalé a střední hustoty integrace. Například řada druhů integrovaných operačních zesilovačůje konstruována na bipolárních tranzistorech, z číslicových obvodů jsou to technologie MTL(merged transistor logic) a ECL (emitter coupled logic); posledně zmíněná technologie sepoužívá pro konstrukce velmi rychlých, tzv. zápisníkových pamětí (scratchpad memory) sdobou přístupu okolo 1 ns.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 338 Bipolární tranzistor jako zesilovač Úloha č. 6Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol:Proměřte amplitudové kmitočtové charakteristiky bipolárního tranzistoru1. v zapojení se společným emitorem (SE)2. v zapojení se společným kolektorem (SC)8.1 Pokyny pro měřeníÚkoly společné pro obě zapojení:1) Nastavte pracovní bodstejnosměrně:U CE = U n / 2I C = cca 2,5 - 5 mA)Připojte voltmetr mezi kolektora emitor a změnou rezistoru R 1nastavte U CE na polovinunapájecího napětí (v danémpřípadě na 5V). Hodnota rezistoruR 1 =500k (50k), je orientační avolbou vhodného dostupnéhorezistoru R 1 se co nejvíce přibližtepožadované hodnotě U CE .Obrázek 32: Zapojení se společným emitoremPozn.:Nelze-li pro zapojení SE na generátoru nastavitu vst < 10 mV, použijte na vstupu odporový dělič(R a ,R b ) cca 1:10, jinak bude výstupní signál zkreslenýnapř. (R a = 100k, R b =10k).2) Změřte a do grafu vynestekmitočtově amplitudovou (modulární)charakteristiku:A U [dB] = f ( f )u2A U= 20log [dB]u1Rozsah frekvencí:50Hz – 2MHzKmitočtové charakteristikyvyneste do semilogaritmickýchsouřadnic.3) Odečtěte zesílení při f = 1kHz.Obrázek 33: Zapojení se společným kolektoremPozn.:Jsou-li vstupy A a B osciloskopu přepnuty na AC,není v obou zapojeních nutný kondenzátor C V , kterýodděluje stejnosměrnou složku signálu.

34 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně8.2 Měření a jeho vyhodnoceníf [kHz]U 2 [V]A U [dB]Zapojení SE U 1 =f [kHz]U 2 [V]A U [dB]Zapojení SC U 1 =Příklad výpočtu A U :Závěr:

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 35Kmitočtová amplitudová charakteristika zapojení se společným emitorem504030201000,01 0,1 1 10 100 1000 10000Kmitočtová amplitudová charakteristika zapojení se společným kolektorem0,01 0,1 1 10 100 1000 100000-10-20-30

36 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně8.3 Teoretické poznámky8.3.1 Tranzistor jako nízkofrekvenční zesilovačTranzistor je zesilovacím prvkem, proto nachází nejčastější použití v zesilovačích. Prospolehlivou funkci tranzistorů je nutné nastavit určité pracovní podmínky. Hovoříme o nastavenípracovního režimu nebo pracovního bodu. Teprve vhodný pracovní režim zesilovacísoučástky dává předpoklad k její řádné funkci, ke zpracování střídavého signálu.Na elektrody tranzistoru musíme připojit stejnosměrná napětí tak, aby emitorová dioda bylazapojena v propustném, kolektorová v nepropustném směru. Velikostí stejnosměrných napětía proudů je určen pracovní bod tranzistoru.Základní nastavení pracovního bodu není nijak složité. Obvody pro nastavení pracovníhobodu se stávají složitějšími jen vlivem opatření, kterými zajišťujeme stabilitu pracovníhobodu, tj. neměnnost nastaveného pracovního režimu.Teplotní nestálost polovodičů způsobuje určité kolísání nastavených pracovních parametrů -pracovního bodu. Toto kolísání může způsobit velmi nepříjemné jevy. Zvýšení teploty vyvolázvýšení kolektorového proudu, zejména zbytkového proudu I K0 . Pokud se tranzistor napájípřes větší rezistor v obvodu kolektoru, zvětšuje se při stoupání kolektorového proudu úbyteknapětí na kolektorovém rezistoru, potřebné napětí na kolektoru tranzistoru se zmenšuje.Zmenšuje se zesílení i výstupní výkon tranzistoru. Kolektorové napětí může poklesnoutnatolik, že stupeň s tranzistorem přestane pracovat. Pokud se tranzistor napájí přes malýkolektorový rezistor, může se zvýšit teplota tranzistoru tak, až dojde ke zničení tranzistoru.Zvětšení kolektorového proudu vlivem zvýšení teploty zvětšuje kolektorový ztrátový výkon.Tím se dále zvětšuje teplota tranzistoru a kolektorový proud dále narůstá a může tedy vést ažk destrukci.U přístrojů s tranzistory, které budou pracovat v prostředí s proměnlivou teplotou (a to jevětšina praktických případů), musíme v napájecích obvodech tranzistorů učinit opatření proteplotní stabilizaci pracovního režimu. U tranzistorů je rozdíl mezi provozní teplotouvlastního tranzistorového systému a teplotou okolí malý. Změny teploty prostředí proto značněovlivňuji pracovní režim tranzistorů. Množství nosičů proudu v polovodičovém materiáluse při vzrůstání teploty zvětšuje. Zvětšují se tedy i proudy protékající tranzistorem. Tak např.zvýšení teploty o každých 10 °C odpovídá vzrůst proudu přibližně na dvojnásobek.8.3.2 Nastavení pracovního bodu tranzistoruZákladní zapojeni pro nastavení pracovního bodu (PB) tranzistoru je na obr. 34. Je to zapojenípro nastaveni pracovního bodu pomoci předřadného rezistoru Rl. Emitor se v tomto zapojenípřipojuje přímo na záporný pól stejnosměrného zdroje U CC (pokud jde o tranzistor typu NPN;pro tranzistory typu PNP je zapojení úplně+shodné, jen polarita zdroje U CC je obrácená). Bázetranzistoru se připojuje na kladný pól zdroje přespředřadný rezistor R l . Emitor je tedy polarizován protiR 1R C U Rcbázi kladně - je splněn jeden požadavek: emitorovádioda je zapojena v propustném směru. Kolektor sepřipojuje na kladný pól zdroje. Má-li být splněn druhýI BI CU CCpožadavek, tj. zapojení kolektorové diody vnepropustném směru, musí být kolektor proti báziU BEI EU CEkladnější. Toho dosahujeme vhodnou volbou předřadnéhorezistoru R 1 .-Obrázek 34: Nastavení PB předřadným rezistorem

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 37Musí na něm vznikat větší úbytek napětí než na kolektorovém rezistoru R K . Tím budepotenciál báze tranzistoru méně kladný než potenciál kolektoru. Kolektor bude tedy proti bázitranzistoru kladnější - kolektorová dioda bude zapojena v nepropustném směru.Tímto zapojením byl jen nastaven pracovní bod. Pro stabilizací pracovního bodu zatím nebylouděláno nic.8.3.3 Stabilizace pracovního boduStabilizace pracovního bodu při kolísání teploty se+dosáhne tím, že se proti narůstání kolektorovéhoproudu (způsobeného vzrůstem teploty ) působí R 1RU Rc Czměnou potenciálu báze tranzistoru.I CJednoduché zapojení pro nastavení pracovního boduCI Vtranzistoru i s jeho stabilizací je na obr. 35. Od základníhozapojeni na obr.34 se liší tím, že mezi emitor aU CEC B1U CC~kladny pól zdroje je zapojen rezistor R E - emitorovýstabilizační rezistor. V čem spočívá stabilizační účinekI Etohoto rezistoru. Napětí na předřadném rezistoru Rl je ~ U BEv daném zapojení dáno rozdílem mezi napájecímR EU REnapětím U 0 a úbytkem napětí na emitorovém rezistoru-R E .Obrázek 35: Stabilizace PB pomocí R EZvětší-li se proud kolektoru (např. zvýšením teploty), zvětší se úbytek napětí U E naemitorovém rezistoru. Tím se zmenší napětí U 1 na rezistoru R l , klesne proud báze a výsledkemje zmenšení proudu kolektoru, tedy částečná kompenzace jeho původního narůstání.Zapojení na obr. 35 je vlastně základním zapojením jednoho stupně tranzistorovéhozesilovače. Střídavý signál, který má tranzistor zesílit, se dostává přes kondenzátor C 1 na bázitranzistoru, výstupní střídavý signál se odebírá přes kondenzátor C V z kolektoru.V zásadě platí, že stabilizační účinek obvodu je tím lepší, čím větší je rezistor v obvoduemitoru a čím menší je rezistor R 1 v obvodu báze.+Zvětšování emitorového rezistoru R E je nevýhodné(zejména u výkonových tranzistorů), na velkémRemitorovém rezistoru se objeví značná část napětí 1RU Rc Cnapájecího zdroje. Je zde však určitá možnost sníženiI CC Vodporu rezistoru v obvodu báze. Této možnosti je IC B1U CCvyužito v zapojení na obr. 36.~UPracovní bod není nastaven pomocí předřadnéhoCE~rezistoru, ale pomocí děliče napětí R 1 , R 2 ,I Epřipojeného na zdroj U CC . Potenciál báze tranzistoru R 2 U BEje určen napětím na odbočce děliče, na kterou je bázeR EU REpřipojena. Jak lze z obr. VI-5 snadno vyčíst, jsourezistory děliče (přes malý vnitřní odpor napájecího-Obrázek 36: Stabilizace PB děličem v bázizdroje) zapojeny vlastně paralelně. Jako odpor v obvodu báze se uplatňuje odpor paralelnídvojice R 1 , R 2 , který je menší než samotný odpor rezistoru R 1 (obr. 34 a 35).

38 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněStabilizační účinek zapojení podle obr. 36 je dobrý. Kompenzace změn kolektorového prouduje účinná, při zvýšení I K zvětší se napětí na emitorovém rezistoru, napětí mezi bází aemitorem se zmenší a výsledkem je zmenšení kolektorového proudu.Zapojeni na obr.36 je jedním z nejpoužívanějších. Představuje opět základní zapojení jednohotranzistorového zesilovacího stupně. Střídavý signál se přivádí do obvodu báze přeskondenzátor C l , zesílený signál se odebírá z kolektoru přes kondenzátor C V . Děličem napětíR 1 , R 2 bývá v praxi často potenciometrický trimr. Pracovní bod se nastaví přesně podležádané velikostí kolektorového proudu (měřidlo se zapojí do série s kolektorem) natáčenímběžce potenciometrického trimru.Kromě popsaných způsobů jsou ještě jiné možnosti nastavení a zejména stabilizacepracovního bodu, které jsou však složitější.Obrázek 37: Druhy zapojení zesilovačů s bipolárním tranzistorem a jejich vlastnosti

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 398.3.4 Linearizovaný modelSEh-parametry v pracovním bodě:Obrázek 38: Zesilovač se společným emitoremFunkce součástek:o R B , R C , R E … nastavení pracovního bodutranzistoru a jeho stabilizace zavedenímemitorové zpětné vazby (R E )o C V …vazební (oddělovací) kondenzátory –oddělují stejnosměrnou a střídavou složku;1/ω C V je velmi maléo C E … přemostění emitorového odporu REpro střídavou složku a její uzemnění;1/ω C E

40 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně9 VA-charakteristiky tranzistoru JFET Úloha č. 7Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol: 1. Změřte VA charakteristiky unipolárního tranzistoru (JFET) v zapojení sespolečnou elektrodou S2. JFET v zapojení se společnou elektrodou S jako zdroj proudu řízený napětím3. Určete pro dané zapojení admitanční parametry NLO9.1 Pokyny pro měření1. Výstupní charakteristikaI D = f(U DS ) / při U GS = konst. (5 křivek)a) Nastavte napájecí napětí U CC = 10Vb) Napětí U GS zvětšujte až do zánikuproudu I D . Zjištěné napětí rozdělte na 5úrovní tak, aby hodnoty odpovídaly pěticharakteristikám s přibližně stejnouvzdáleností v grafu.c) Pro takto určené hodnoty U GS proměřtejednotlivé charakteristiky, hodnotyzapište do tabulky a zakreslete je dografu.d) V průběhu měření kontrolujte stabilitunastaveného U GS .Obrázek 40: Zapojení pro měřeníOmezení: I Dmax = 10mA ; U DSmax = 10VPoznámka: Vodivý kanál tranzistoru je plněotevřen při nulovém předpětí naelektrodě G(I D = max); Přivedenímzáporného předpětí na elektrodu G sevodivost kanálu zmenšuje.2. Převodní charakteristika(zdroj proudu řízený napětím)stejné zapojeníI D = f(U GS ) / při U DS = konst.a) Nastavte U DS = 5V a udržujte toto napětíkonstantní.b) Napětí U GS zvětšujte, nejlépe poúrovních určených v předchozí úloze.c) Naměřené hodnoty zapište do tabulky avyneste do grafu.d) Totéž proveďte pro U DS = 3V3. Admitanční parametry NLOZe změřených charakteristik určeteadmitanční parametry náhradního lineárníhoobvodu.yy21S22S⎡ ∆I= ⎢⎣∆U⎡ ∆I= ⎢⎣∆UDGSDDS⎤⎥⎦⎤⎥⎦UDS= konst.UGS= konst.přenosová admitancestrmost [S ], [mA/V]Výstupní vodivost [S ]

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 419.2 Měření a jeho vyhodnoceníVýstupní charakteristika:U GS =U DS [V]I D [mA]I D = f(U DS ) / při U GS = konst.U GS =U DS [V]I D [mA]U GS =U DS [V]I D [mA]U GS =U DS [V]I D [mA]U GS =U DS [V]I D [mA]Převodní charakteristika:I D = f(U GS ) / při U DS = konst.U DS = 5VU GS [V]I D [mA]U DS = 3VU GS [V]I D [mA]

42 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněCharakteristikypřevodníI DvýstupníU GSU DS3. Admitanční koeficienty:yy21S22S∆I∆UD= =∆I∆UGSD= =DSZávěr:

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 439.3 Teoretické poznámky9.3.1 Princip funkce unipolárního tranzistoruPotřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevua konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effecttransistor). Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, nakterém pracují bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jenvelmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektrodaizolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO 2 , takže jí neteče prakticky žádný proud(představuje ss odpor o velikosti cca 10 12 Ω ).Historicky první vznikly tranzistory s izolovanou řídicí elektrodou (hradlem) a závěrněpólovaným přechodem PN, tzv. tranzistory JFET (junction FET). Princip funkce tohototranzistoru jenaznačen naobrázku 41.P+AANP+Obrázek 41: Princip funkce unipolárního tranzistoru JFETZákladem je polovodičová destička s nevlastní vodivostí typu N opatřená na oboukoncích neusměrňujícími přívodními kovovými kontakty a mají, ve srovnání s bipolárnímtranzistorem, význam emitoru a kolektoru . Do horní i dolní stěny základní destičky jevytvořena difúzí silně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti (P+) nazvaná hradlo (Ggate).Obě části hradla jsou spolu vodivě spojeny. Hradlo tvoří řídící elektrodu tranzistoru.Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál.Jsou-li hradlo G i drain D spojeny s elektrodou source S (U DS =U GS = 0) vytvoří sev okolí hradla vyprázdněná oblast A, která se nesymetricky rozšiřuje do oblasti N s nízkoudotací. Tloušťku vyprázdněné oblasti je možno měnit napětím přiloženém k přechodu.Přiložíme-li tedy mezi hradlo a source napětí U GS tak, aby přechod byl polarizován vezpětném směru, můžeme obě vyprázdněné oblasti rozšířit, čímž zúžíme vodivou část kanálu azvětšíme jeho odpor. Přitom přívodem hradla neprochází téměř žádný proud (řádově pA).Při nulovém nebo velmi malém napětí U DS je vyprázdněná část kolem části hradlarovnoměrná a proud při vzrůstu U DS se zvyšuje lineárně. Při dalším zvyšování napětí U DSzačíná kladné napětí připojené v místě drainu na kanál vodivosti typu N působit jako předpětíHRADLO- KANÁL ve zpětném směru a tím rozšiřovat vyprázdněnou oblast. Toto rozšířeníje největší v blízkosti drainu, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťovéhoúbytku působeného proudem I D ve směru od D k S zmenšuje. Výsledkem je nerovnoměrnérozložení vyprázdněné oblasti podél hradla.Při maximálním zúžení kanálu však stále prochází nasycený proud I D v důsledkuvelkého rozdílu potenciálů mezi S a D a v důsledku průchodu nosičů podél siločarelektrického pole přechodu PN - nasycená oblast (saturace). Z tohoto popisu vycházejínásledující VA charakteristiky JFETu (obr.42).

44 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněI D[mA]hranice saturaceU Dsat0-2-4U GS[V]U GS [V] -10U DS [V]Obrázek 42: VA-charakterisky JFETuPodobně jako u bipolárních tranzistorů používáme ke stanovení parametrů zesilovačemalého signálu s tranzistorem JFET náhradního lineárního obvodu (NLO). K popisu jevhodné použít admitančních rovnic dvojbranu, jelikož soustava rovnic se zjednoduší pouze najednu rovnici vzhledem k prakticky nulovému proudu hradla I G . Soustava koeficientů se takze stavu nakrátko a naprázdno zjednoduší pouze na dva - y 21S a y 22S ( pro zapojení sespolečnou elektrodou S).-109.3.2 Admitanční rovnice náhradního lineárního obvoduGu GSpro obecný dvojbrani 1 = y 11 u 1 + y 12 u 2i 2 = y 21 u 1 + y 22 u 2i G = 0y 21 u GSpro unipolární tranzistori G = y 11s u GS + y 12s u DSi D = y 21s u GS + y 22s u DSi Du DS1/y 2u GSi GGDSi D+u DS-Potom:⎡ ∆Iy =21S ⎢⎣∆Uy22S⎡ ∆I= ⎢⎣∆UDGSDDS⎤⎥⎦⎤⎥⎦UDS= konst.UGS= konst.Obrázek 43: Náhradní lineární obvodDefinuje přenosovou admitanci v přímém směru při výstupunakrátko, která se číselně rovná hodnotě změny výstupníhoproudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí.Označuje se jako strmost – rozměr [S ], [mA/V]Definuje přenosovou vodivost nakrátko a je rovna hodnotězměny výstupního proudu při jednotkové změně výstupníhonapětí a vstupu nakrátko – rozměr [S ].V porovnání s bipolárními tranzistory mají unipolární tranzistory většíimpedance,vyžadují menší řídící příkon,ale mají rovněž menší výstupní výkon.Pro aplikacenapř. v logických obvodech je tato okolnost výhodná.V planárním provedení zaujímá JFETasi pět krát menší plochu než bipolární tranzistor a je tedy vhodný pro velkouintegraci.Strmost JFETů je menší než u bipolárních tranzistorů,což se projevuje nepříznivě přivelmi rychlém zpracování informací (daná kapacita se nabíjí pomaleji), kde mají bipolárnítranzistory lepší parametry.Neobyčejně velká vstupní impedance JFETů umožňuje speciálníaplikace a relativně malá teplotní závislost umožňuje pracovat i při velmi nízkých teplotách.Šum JFETů je u středních frekvencí menší než šum bipolárních tranzistorů.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 4510 Zesilovače s tranzistorem JFET Úloha č. 8Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol:1. Tranzistor jako zesilovač v zapojení se společnou elektrodou S (SS)- ověřeníčinnosti zesilovače2. Tranzistor v zapojení se společnou elektrodou D (SD)10.1 Pokyny pro měření1.a) Změřte a do grafu vyneste amplitudovoukmitočtovou charakteristiku:A U [dB] = f ( f ) /při R3 = 510 ΩUccb) Zjistěte a graficky znázornětezávislost:A U [dB] = f ( R 3 ) / při f = 1kHzRezistor R 3 měňte v rozsahu 0 až1kΩ přibližně po100Ω podledostupných rezistorůc) Z amplitudové kmitočtovécharakteristiky odečtěte zesílení přif = 1kHzObrázek 44: Zapojení se společnou elektrodou SAmplituda vstupního napětí U VST = 100mV,U CC = 10V, I Dmax = 10mA2.Změřte a do grafu vyneste amplitudovoukmitočtovou charakteristiku:A U [dB] = f ( f )Všechna měření vyjádřete grafickya porovnejte vlastnosti obou zapojení.Součástky:R 1 = 100kΩR 2 = 1kΩR 3 = 1 MΩObrázek 45: Zapojení se společnou elektrodou D

46 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně10.2 Měření a jeho vyhodnoceníf [kHz]U 2 [V]A U [dB]Zapojení SS A U [dB] = f ( f ) U 1 = 100mVR 3 [Ω]U 2 [V]A U [dB]Zapojení SS A U [dB] = f ( R 3 ) f = 1kHzf [kHz]U 2 [V]A U [dB]Zapojení SD A U [dB] = f ( f ) U 1 = 100mV50A U[dB]40302010Zapojení SSA U [dB] = f ( f )00,01 0,1 1 10 100 1000 f [kHz] 10000

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 4730A U[dB]A U [dB] = f ( R 3 )201000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000R3 [Ω]0,01 0,1 1 10 100 1000 100000f [kHz]-10-20A U[dB]-30Zapojení SDA U [dB] = f ( f )Závěr:

48 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně10.3 Teoretické poznámky10.3.1 Nastavení pracovního bodu tranzistoru JFETZpůsob funkce tranzistoru jako zesilovače je dán nastavením polohy pracovního bodu (PB).Případ zesilovače v tzv. třídě „A“ je naznačen na obr.46. Volba pracovní třídy zesilovače jedána požadovaným úhlem otevření tranzistoru.převodnícharakteristipředpětíI D[mA]I DSSI D[mA]20I DSS15výstupnízatěžovací0U P-5 U GS [V] 0105vstupní7,5pracovní bod--2-3-4U DS [V]-515U GS[V]U P – prahové napětí tranzistoru I DSS - saturační proud tranzistoru při U GS = 0Obrázek 46: Volba pracovního bodu v soustavě charakteristik tranzistoruNastavení pracovního bodu může být provedeno, podobně jako u bipolárníhotranzistoru, několika způsoby.1) Nastavení pracovního bodu pomocídvou nezávislých zdrojů.Při daném zatěžovacím rezistoru a napájecímnapětí U CC lze posuv pracovního bodu P (obr.49)po zatěžovací přímce do žádané polohy provéstpředpětím hradla U GG (obr.47).přes hradlo netečestejnosměrnýproudI G = 0R GU GG+I DU GS+ U CCR DU DSI DObrázek 47: PB pomocí dalšího zdroje

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 492) Nastavení pracovního bodu úbytkem napětí naemitorovém rezistorutzv. „automatické předpětí“I D+ U CCR DU GS = - R S I DU DSU GSPředpětí hradla U GS vzniká jako záporně vzatý úbytekR GR SI Dnapětí na odporu R S . Odporem R D se nastavujepoloha pracovního bodu na zatěžovací přímce.3) Nastavení pracovního bodu pomocí děliče napětíděličem (R G1 , R G2 ) se vytváří kladné napětí U 2 :RG 2U2= UCC> 0RG1+ RG 2Napětí na hradle:U 2 = U GS + R S I DU GS = U 2 – R S I D < 0Rezistorem R D se nastavuje poloha pracovního boduna charakteristice U GS = konst.Obrázek 48: PB pomocí R SU 2R G1+ U CCR DI DU DSU GSR G2R SI DObrázek 49: PB pomocí děliče napětí

50 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně11 Bipolární a JFET tranzistor jako spínač Úloha č. 9Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol: 1. Bipolární tranzistor jako řízený odpor (spínač) – ověření činnosti.2. Unipolární tranzistor jako řízený odpor (spínač) – ověření činnosti.11.1 Pokyny pro měřeníBipolární tranzistora) Stanovte zpoždění při spínanía rozpínání spínače.U CZapojte obvod podle schématu (sR 2 =10k), na osciloskopu porovnejtevstupní a výstupní průběhy a odečtětečasové posuny mezi vstupem avýstupem jak je naznačenov přiloženém obecném rozboru.Některé časové úseky u danéhotranzistoru nemusí být na obrazovceodečitatelné.Odečtené časové úseky zapište azakreslete v grafu vstupního avýstupního signálu.R B = 100 k (určuje proud bází)f = 10kHzObrázek 50: Zapojení s bipolárním tranzistorem2. Stanovte vliv rezistoru R 2 a vliv saturacetranzistoru.Při daném vstupním signálu je rezistorem R 2 anapětím U CC definována v síti výstupníchcharakteristik zatěžovací přímka. Při stálém napětíU CC je potom oblast, ve které se pohybuje pracovníbod, dána jejím sklonem, tj. velikostí R 2 . Tzn., žepracovní bod se pohybuje pouze v aktivní oblastinebo se dostává až do oblasti saturace.Proveďte měření podle bodu 1) s rezistorem R 2 =50k a 100k a výsledky porovnejte.b) Unipolární tranzistor1) Stanovte a graficky znázornětezávislost:K U [dB] = f (U ř ) / při f = 1kHz.2) Stanovte a graficky znázornětezávislost:K U [dB] = f ( f ) / při U ř = konst.Obrázek 51: Zapojení s unipolárním tranzistorem

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 5111.2 Měření a jeho vyhodnocení1) Časové průběhy pro zadané hodnoty rezistoru R 2

52 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně2) K U [dB] = f (U ř ) / při f = 1kHz.U ř [V]K U [dB]00 10 20 30102030K U [dB] = f ( f ) / při U ř = konst.f [kHz]K U [dB]30201000,01 0,1 1 10 100 1000 10000Závěr:

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 5311.3 Teoretické poznámky11.3.1 Bipolární tranzistor ve spínacím řežimuPrincipiální zapojení spínacího obvodu s tranzistorem je naobrázku 52. Obvykle se používají tranzistory v zapojení sespolečným emitorem, protože k ovládání stačí menší výkon nežnapř. v zapojení se společnou bází.Základními stavy tranzistoru jako spínače jsou : otevřený stavodpovídající sepnutí jakéhokoliv spínače a uzavřený stavodpovídající rozepnutí spínače.Obrázek 52: Spínač s tranzistoremObrázek 53: Pracovní režimy tranzistoru v jeho charakteristikáchJak je zřejmé z grafu výstupních charakteristik tranzistoru na obrázku 53, kdyžtranzistor simuluje rozepnutý stav spínače, teče obvodem kolektor - emitor jen zbytkovýproud kolektoru I CE0 . V této oblasti je tranzistor uzavřený a přechody B-E a B-C jsoupolarizovány v závěrném směru. Při spínání přechází pracovní bod tranzistoru aktivní oblastí.V ní je přechod B-E polarizován v propustném směru a přechod B-C v závěrném směru.Tranzistor simuluje sepnutý stav spínače, když je jeho pracovní bod v oblasti nasycení -

54 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněsaturace. Tato oblast je oddělená od aktivní oblasti hraniční křivkou oblasti saturace. Tatokřivka je charakteristická tím, že body ležící na ní splňují podmínku U BE = U CE tedy :U CE - U BE = U CB = 0Když se pracovní bod nachází v oblasti nasycení , přechody B-E a B-C jsou polarizovány vpropustném směru.Poznámka: Bipolární tranzistor v otevřeném stavu je řízený proudem vtékajícím do báze,protože jeho vstupní odpor je ve stavu saturace výstupu mnohem menší než výstupní odporzdroje budícího signálu. Naopak ve stavu uzavřeném (nevodivém) je bipolární tranzistor řízennapětím na bázi, protože jeho vstupní odpor je v tomto stavu mnohem větší než výstupníodpor zdroje budícího signálu.i Bi C0I C0,9I C0,1I0t ont offt d t r t s t fPrůběh I B přispínánído saturacedo aktivní oblastitPrůběh I C přispínánído saturacedo aktivní oblastitPři přivedení pravoúhléhoimpulsu na bázi dojde kezkreslení impulsu kolektorovéhoproudu, jehož průběh lzevyjádřit následujícími časy:t d - doba zpoždění (prodlevyodezvy, d = delay)t r - doba náběhu (čelar = rise)t s - doba přesahu (saturačnízpoždění, s = saturation)t f - doba týlu (sestupu,doběhu,f = fall)u CECelková doba sepnutí:U CE0Průběh U CE přispínánído saturacedo aktivní oblastitt on = t d + t r ≈ t r(t d je obvykle velmi malá)Celková doba vypnutí:t off = t s + t fObrázek 54: Průběhy napětí a proudu kolektoru při spínání

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 5511.3.2 Unipolární tranzistor ve spínacím řežimuVýhody :- nevýkonnové ovládání s podstatně vyšší pracovní frekvencí- lépe zvládají spínání indukční zátěžeNevýhody :- velký odpor R DS v on (řeší se pomocí více FETů paralelně na jedné křemíkové descecožse projeví zvýšením vstupní kapacity a nežádoucím proudovým impulzem)Charakteristika parametrůa) vstupní kapacita C GS - vlivem této kapacity (která je u výkonových FET-ů veliká) jsoukladeny vysoké nároky na budící obvod, protože kapacita způsobuje velký proudovýimpuls.b) výstupní admitance y 22 - tato admitance, resp. její převrácená hodnota - impedance -většinou udávaná jako odpor R DS v Ohmech, má dosti veliký vliv na výkonovou ztrátu vestavu ON (P D = I 2 D R DS )c) strmost y 21 - transkonduktance, převodní vodivost - tento parametr je také důležitý, protožepodle něho víme jak velkou úrovní signálu máme tranzistor budit vůči velikosti výstupníhosignálu

56 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně12 Měření na optronu Úloha č. 10Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol: 1. Změřte vstupní a výstupní charakteristiky optoelektrického spojovacího členu.2. Určete frekvenční závislost dynamického přenosového poměru (CTR).12.1 Pokyny pro měření1. Vstupní charakteristika:I F = f (U F )Jedná se v podstatě o změřenípropustného směru VAcharakteristikyLED diody,která představuje vysílacístranu optronu (obr.55).2.Výstupní charakteristika:I C = f (U CE )při I F = konst.123Omezení: U FRmax = - 10 V (záv. směr), I Fmax = 30 mA4N25654Obrázek 55: Měření vstupní charakteristikyJedná se o změření výstupníVA-charakteristiky bipolárníhotranzistoru u něhož jeproud báze řízen osvětlenímpřechodu PN vysílací diodou(LED) – obr.56.Změřte síť charakteristikpro I F = 0; 5; 10; 15; 20 mA.(Obdoba proudu báze )3. Kmitočtová závislostdynamickéhopřenosového poměru :CTR = f (f)iCCTR =iFPři R 2 = R 4 = cca 50 Ωjsou poměry napětí u 2 a u 1úměrné poměrům výstupníhoa vstupního proudu. Proto přiměření napětí na R2 a R4i uCTR =C=2iFu1Kmitočet volte od 50Hz docca 500kHz.U in = cca 100mVR 1 = 1 k, R 3 = 1 kU CC =12VI Cmax = 30mAObrázek 56: Měření výstupní charakteristikyVšechny charakteristiky zakreslete do grafuObrázek 57: Měření dynamického přenosového poměruMěříme ve zvoleném pracovním bodě, např. I F = 15mA, U CE = 6VNapětí u 1 a u 2 změřte pomocí osciloskopu.Do grafu vyneste kmitočtovou závislostCTR = 20.log u 2 /u 1 [dB]

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 5712.2 Měření a jeho vyhodnocení1. Vstupní charakteristika: I F = f (U F )U F [V]I F [mA]2.Výstupní charakteristika: I C = f (U CE )I F = 0 mAU CE [V]I C [mA]I F =U CE [V]I C [mA]I F =U CE [V]I C [mA]I F =U CE [V]I C [mA]I F =U CE [V]I C [mA]3. Kmitočtová závislost dynamického přenosového poměru: CTR = f (f)f [kHz]u 1 [Vu 2 [V]CTRCTR[dB]CTR = u 2 /u 1CTR = 20.log u 2 /u 1 [dB]Závěr:

58 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněI F[mA]I F = f (U F )U F [V]I C[mA]I C = f (U CE )U CE [V]30CTR[dB]CTR = f (f)20100f [kHz]0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 5912.3 Teoretické poznámky12.3.1 Charakteristika optočlenuOptočlen je polovodičová součástka, která slouží k oddělování elektrických obvodů aždo rozdílu napětí řádově kV. Skládá se z vysílače záření, zpravidla LED diody afototranzistoru (přijímač). Na místě tranzistoru může být použit fototyristor nebo jinápodobná fotocitlivá součástka. Vysílač mění elektrický signál na optický, který je vedenvhodným vazebním prostředím (např. plyn, kapalina, tuhá látka nebo jejich kombinace)směrem k přijímači, který optický signál převede opět na elektrický.Záření dopadající do kolektorového PN přechodu vytváří páry elektron-díra , elektrony sepohybují k E, díry k C, tranzistor se otevře a prochází jím proud. Velikost tohoto proudu lzeřídit osvětlením přechodu, tedy velikostí proudu svítivou diodou. Tranzistor může, nebonemusí mít vyvedenou bázi.Vlastnosti optoelektrického spojovacího členu nejlépe vystihují jeho vstupní avýstupní VA-charakteristiky a proudové převodní charakteristiky.Kvalitu optronu vystihuje přenosový poměr CTR definovaný jako statický nebodynamický.Statický CTR je definován poměrem stejnosměrných hodnot vstupního a výstupního proudu:CTR = I C / I Fpři U CE = konstDynamický CTR vychází z poměru střídavých hodnot:CTR = i C / i Fpři U CE = konstkde I F , i F - vstupní proud (proud LED)I C , i C - výstupní proud (proud kolektoru fototranzistoru)U CE - napětí na fototranzistoruObvyklé hodnoty CTR = 0,02 až 0,50,5 až 10 se zesilovačemCTR bývá udáván také v procentech I C / I F *100 [%]Při měření charakteristik se LED dioda měří pouze v propustném směru jelikožv závěrném směru nevydává žádné záření.U optočlenů se užívají jak bipolární, tak unipolární tranzistory. Bipolární má ale tunevýhodu, že jeho spínání je poměrně pomalé (jednotky mikrosekund).Pro zvětšení citlivostise tranzistory vyrábějí v tzv. Darlingtonově zapojení. Jejich spínací rychlost je ještě nižší(desítky mikrosekund).Pro vyšší kmitočty je výhodnější použít fototranzistor unipolární (spínací doba až setiny µs).Při daném optočlenu lze očekávat mezní kmitočet 50-100kHz.Nejčastějším použitím optočlenů je galvanické oddělení obvodů. I při poruše v jedné částiobvodu se tedy tato chyba nepřenese do druhé. Použití těchto součástek je široké, napříkladv počítačových monitorech a televizorech v obvodech spínaných zdrojů a vysokého napětí.Prodemonstraci popisovaných vlastností a pro ověření naměřených hodnot jsou uvedenykatalogové údaje použitých optronů s jednoduchým tranzistorem a optronů s tranzistoryv Darlingtonově zapojení.

60 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 58: Příklady parametrů některých typů optočlenů

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 6113 Charakteristiky tyristoru Úloha č. 11Spolupracoval: Datum HodnoceníÚkol: 1. Změřte vstupní charakteristiku tyristoru I G = f (U GK )2. Změřte spínací charakteristiku U B0 = f (I G )13.1 Pokyny pro měření1. Změřte a do grafu zakreslete závislost: I G = f (U GK ) Omezení: I Gmax = 5 m AProměřte vstupní VA-charakteristiku katodového přechodu tyristoru v propustnémsměru. Dbejte na to, aby nebyl překročen dovolený proud I GmaxI G[mA] KT 501U GK [V]Obrázek 59: Měření vstupní charakteristiky tyristoruMěření probíhá obdobně jako při měření diody.Změřená charakteristika má průběh jako VA-charakteristika diody v propustném směru.2. Změřte závislost spínacího napětí U B0 na proudu řídící elektrody I G U B0 = f(I G ) .Nastavujte postupně velikost proud I G od 0 do cca 5mA .Nastavte nejprve proud I G = 0 . Potom postupně zvyšujte napětí z generátoru U GEN aždo okamžiku, kdy tyristor sepne. Napětí U AK = U B0 odečtěte z osciloskopu. Protože napětína tyristoru je příliš velké, na vstupu osciloskopu sestavte dělič s dělícím poměrem 1:10.Odečtené napětí pak upravte podle dělícího poměru.Totéž proveďte pro další hodnoty I G až do hodnoty 5 mA. Změřenou závislost vynestedo grafu.Pozn.: Při I G =0 může být překročení U B0 protyristor nebezpečné, proto napětí U GENdále nezvyšujte!Pro zajištění bezpečnostipráce je vyšší napětípro tyristor získávánoz generátoru funkcípřes zvyšovacítransformátor.≈U GENObrázek 60: Zapojení pro měření spínací charakteristiky tyristoru

62 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně13.2 Měření a jeho vyhodnocení1. I G = f (U GK )U GK[V]I G [mA]2. U B0 = f(I G )I G [mA]U B0 [V]I G[mA]I G = f (U GK )U GKU B0[V]U B0 = f(I G )Závěr:I G [mA]

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 6313.3 Teoretické poznámky13.3.1 Princip činnosti tyristoruJe čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PN v uspořádání PNPN.Můžeme si jej představit jako dva bipolární tranzistory, jeden PNP a druhý NPN, zapojenépodle obr. 61.Obrázek 61: Náhradní schéma tyristoruEmitor tranzistoru PNP je přiložen na kladný pól zdroje napětí, emitor tranzistoru NPN nazáporný pól, do řídicí elektrody G tyristoru nechť teče proud I G . Podle 1. Kirchhoffovazákona o proudech v uzlu musí platitI 2 = I G + I 1a také, uvážíme-li, že α 1 I 1 je kolektorový proud PNP tranzistoru a α 2 I 2 kolektorový proudNPN tranzistoru (emitorový proud je I 2 ), musí být I 2 = α 1 I 1 + α 2 I 2 (zanedbávali jsmezbytkové proudy a I G vůči α 1 I 1 ). Z těchto dvou rovnic pak máme pro I 2 výrazI 2 = -α 1 I G /(1 - (α 1 + α 2 ))Pokud je součet proudových zesílení α 1 + α 2 přibližně roven jedné, může být proud I 2 velmiveliký i když proud řídicí elektrodou I G je velmi malý. Jako proud I G může fungovat i závěrnýproud kolektorové diody PNP tranzistoru, který, jak víme, může při překročení mezníhodovoleného kolektorového napětí vzrůst lavinovitým průrazem kolektorového přechodu.Jakmile je jednou tyristor ve vodivém stavu, zůstává ve vodivém stavu tak dlouho, dokud seproud I 2 nesníží pod určitou hodnotu, neboť tranzistory se vzájemně podporují v otevřenémstavu - sepnutým tranzistorem NPN teče záporný proud do báze tranzistoru PNP a opačněsepnutým tranzistorem PNP teče proud do báze tranzistoru NPN. Rozpojíme-li obvod, vrátí seza určitou krátkou dobu (řádově 100 ns) tyristor do výchozího stavu, ze kterého jej můžemeopět sepnout. Totéž se stane, zmenšíme-li proud tyristorem ne úplně na nulu, ale pod hodnotutzv. vratného proudu I H , který je parametrem daného typu tyristoru.VA-charakteristika tyristoru je uvedena na obrázku 62.

64 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněI A-U AKI L+U AKObrázek 62: VA-charakteristika tyristoruCharakteristika není spojitá křivka, ale vykazuje nespojitost, odpovídající zápornémudiferenciálnímu odporu. Průběh charakteristiky pro nulový proud řídicí elektrodou lze popsattakto: zvyšujeme-li napětí na tyristoru, teče jím nejprve jen závěrný proud; koeficientyproudového zesílení α 1 a α 2 jsou malé a proto jmenovatel v rovnici (1) pro I 2 je jen o málomenší než 1. (Je třeba vzít v úvahu, že koeficient proudového zesílení tranzistoru neníkonstanta, závisí např. na emitorovém proudu; je-li emitorový proud malý je transport nosičůpřes bázi tranzistoru řízen výlučně difuzí a rekombinace v bázi je veliká; zvětšíme-li proudemitoru, vytvoříme v blízkosti přechodu emitor-báze přebytek nosičů a tím vytvořímei elektrické pole, které pomáhá přenosu nosičů přes bázi => rekombinace je menšía koeficient proudového zesílení bližší jedničce.)Zvyšováním napětí mezi anodou (emitor PNP tranzistoru) a katodou (emitor NPNtranzistoru) tyristoru se proud tyristorem mění jen velmi málo až dojdeme k napětí, kdydochází k lavinovitému průrazu kolektorového přechodu tranzistoru PNP. Tím dojde kezvýšení obou koeficientů proudového zesílení α 1 i α 2 a jmenovatel výrazu pro I 2 se začneblížit nule za současného vzrůstu proudu I G (závěrný proud kolektorového přechodu I 1 vlastněreprezentuje proud I G ). Tyristor se sepne (na úroveň přídržného proudu I L ) a zůstanesepnutý, dokud I 1 =I 2 neklesne pod hodnotu I H . Po dobu sepnutí je napětí na tyristoru velmimalé, řádově jeden až několik voltů podle velikosti procházejícího proudu; tyristor se chovájako malý odpor - to je část charakteristiky blíže k ose pořadnic, která rychle s napětím roste.Protože při sepnutí tyristoru roste proud tyristorem při současném snižování napětí natyristoru, chová se tyristor v okamžiku sepnutí jako záporný odpor. Vzhledem k tomu, želavinovitý průraz kolektorového přechodu tranzistoru PNP jenom přispěje k otevření tyristorua tím napětí na tyristoru klesne, není tento průraz pro tyristor nijak nebezpečný.Teče-li do řídicí elektrody tyristoru proud, je situace velmi obdobná, pouze není nutnédojít k lavinovitému průrazu kolektorového přechodu tranzistoru, neboť I G ve vztahu pro I 2není rovno nule a tím dojde k otevření tyristoru při nižším napětí než v předcházejícímpřípadě. Nebo naopak, je-li na tyristoru napětí menší, než je napětí nutné pro sepnutí tyristoru

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 65s nulovým I G , můžeme tyristor sepnout krátkým proudovým impulsem do řídicí elektrody; toje nejběžnější způsob spínání tyristoru.Tyristor může též sepnout při napětí podstatně nižším, než je spínací napětí s nulovýmproudem I G tehdy, když napětí na tyristoru rychle roste. Tehdy se uplatňují kapacity přechodůa stejně jako proud I G působí proud přes kapacitu přechodů, který sepne tyristor. Tentozpravidla nežádoucí efekt je možné odstranit pouze omezením rychlosti vzrůstu napětí natyristoru; např. vhodným filtrem.Tyristor se používá pro bezeztrátovou regulaci výkonu. Jeho použití je zejména vhodnév obvodech střídavého napětí, neboť každýprůchod napětí nulou automaticky vypnetyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné,co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocítyristoru, je zařízení, které ”vyrobí”spouštěcí puls do tyristoru ve vhodné fáziperiody střídavého napětí. Nejjednodušší jepoužít pro řízení fáze jednoduchého RCčlenu s měnitelnou časovou konstantou RCnapříklad pomocí proměnného odporu,obrázek 63.Obrázek 63: Regulace proudu odporovou zátěžíJe-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou,je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím natyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomtopřípadě menší.Pomalu vzrůstající napětí na řídicí elektrodě tyristoru může vést k jeho zapínání v ne zcelapřesně určený časový okamžik; proto je vhodné zařadit do obvodu ještě prvek, který změnípomalý průběh napětí na kondenzátoru ve strmý proudový impuls. Touto součástkou je diak(diac), který si můžeme představit jako tyristor s nevyvedenou řídicí elektrodou. Po dosaženíurčitého napětí mezi anodou a katodou spíná se tedy diak do malého odporu a proto je ideálníspínací součástkou v obvodu řídicí elektrody tyristoru. Tak jako tyristor rozpíná se diakzmenšením proudu mezi anodou a katodou pod určitou hodnotu přídržného proudu. Diak jejednoduchá a spolehlivá součástka, kterou je vhodné ve spínacích obvodech tyristorůpoužívat. Na obrázku 63 je proto diak již zakreslen.Jak je z uvedeného zřejmé, tyristor nespíná v obou polaritách. Je-li na katodě tyristorukladné a na anodě záporné napětí, teče tyristorem jen závěrný proud a nelze jej proudem dořídicí elektrody sepnout. Navíc vzhledem ke své složitější struktuře než obyčejná dioda, jenáchylnější na průraz v závěrném směru. Tento nedostatek lze omezit usměrňující diodou,zapojenou do série s tyristorem. Tím ovšem je maximální výkon omezen na polovinumožného výkonu. Toto lze řešit např. použitím Graetzova usměrňovače před tyristorem, takžena tyristoru bude vždy jen napětí jedné polarity.Tyristory se vyrábějí pro napětí od stovek voltů do několika kV a pro proudy odjednotek A do několika kA. Je možné je použít i pro spínání stejnosměrných obvodů; pak jenutné se postarat o vypínání tyristoru speciálním obvodem, který, např. sepnutímkondenzátoru k anodě tyristoru na chvíli ”převezme” proud obvodem a tím proud tyristoremklesne pod hodnotu přídržného proudu I H . Pro obvody se stejnosměrným napětím je typickéřízení výkonu impulsem stejné šíře a změnou frekvence pro obvody střídavého napětí, kde je

66 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněkmitočet dán, mění se výkon změnou šířky aktivní části periody, tj. části periody, po kterou jezátěž připojena ke zdroji.Je třeba si zdůraznit potřebu odrušení regulátorů využívajících spínací polovodičovéprvky. Tyto obvody vytváří rozsáhlá rušivá pole, která mohou být nebezpečná pro činnostjiných přístrojů. Proto je nutné, aby tato zařízení vyhovovala všeobecným (normamistanoveným) požadavkům na tak zvanou elektromagnetickou kompatibilitu, EMC (Electro-Magnetic-Compatibility).

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 6714 Určení barierové kapacity přechodu PN Úloha č. 12Vypracoval: Datum HodnoceníÚkol:1. Určete stabilizační napětí dané stabilizační diody3. Určete barierovou kapacitu dané diody a průběh této kapacity v závislostina poloze pracovního bodu (na řídicím napětí Ur) vyneste do grafu.14.1 Pokyny pro měření1) Stabilizační diodu zapojte doobvodu v závěrném směru podleschématu.- Určete stabilizační napětí U Z .tj. zvyšujte napětí U tak dlouho, až senapětí Ud přestane měnit.- Stabilizační napětí zadané diody U Zmůže být v rozsahu cca 3,3 - 16V.Obr. 64: Určení stabilizačního napětíR 0 = cca 220Ω2a) Zapojte obvod podle obr.2 .- Postupně nastavujte řídicí napětív rozsahu 0 až Uz – 1V, tj do hodnotycca o 1V menší než je stabilizační napětídiody.- Pro každou nastavenou hodnotu Urodečtěte výstupní napětí u 2 . Vstupnístřídavé napětí nastavte u 1 = 100mV,f = 50 kHz2b) Na základě náhradního schematupodle obr.3 určete odpovídajícíbarierovou kapacitu C B a její závislost naUr vyneste do grafu.C B vyjádřete z kapacitního děliče napětína obr. 3u1u2u2 = *Z2⇒ Z2 = *Z1Z1+ Z2u1+ u21 u2⇒ =⇒jωCjωC( u − )⇒2 1 1u2⎡uu ⎤1−2C2= C1⎢ ⎥ = C⎣ u2⎦BObr. 65: Měření na stabilizátoruObr. 3: K určení barierové kapacity(Použitá dioda je pro dané měření vhodná,protože vykazuje velkou C B .)

68 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně14.2 Měření a jeho vyhodnoceníVA-charakteristika - tabulka naměřených hodnot - graf[V]U rU 1 = 100mVU 2 [mV]C B [pF]C B[pF]U D [V]0Závěr :

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 6915 Výsledky vstupního testu1. Nakreslete základní strukturu bipolárního tranzistoru a vysvětletepodstatu tranzistorového jevu.Je možné i uspořádání s vodivostí p-n-p,které je z hlediska principu ekvivalentníuvedené struktuře n-p-n .Bipolární tranzistor sestává ze tří částí navazujících na sebe prostřednictvím dvou přechodůPN.V základní zapojení tranzistoru, které je znázorněno na obrázku je jeden přechod PNpólován vzhledem ke střední části – bázi (B) - v propustném směru a druhý v závěrnémsměru. Krajní elektrody tranzistoru jsou označovány v souvislosti s jejich funkcí jako emitor(E) a kolektor (C). Na obrázku je tranzistor nakreslen jako symetrický, v praxi bývá plochakolektoru podstatně větší, než plocha emitoru, dotace emitoru příměsemi bývá vyšší a dotacekolektoru nižší.Při pólování přechodu emitor-báze v propustném směru dochází injekci majoritníchnosičů z emitoru do báze. U struktury n-p-n jsou elektrony jako majoritní nosiče v emitoruinjekovány do báze a v blízkosti přechodu emitor-báze se tedy v bázi vytváří zvýšenákoncentrace elektronů. Vzniká gradient koncentrace elektronů v bázi tak, že směrem kekolektorovému přechodu elektronů v bázi ubývá. Gradient koncentrace elektronů v bázi jedůvodem pro difuzi elektronů skrz bázi ve směru klesajícího gradientu, tedy směrem kekolektorovému přechodu. Cestou přes bázi řada elektronů zrekombinuje, neboť majoritníminosiči v bázi jsou díry a tak pravděpodobnost rekombinace je vysoká, avšak vzhledem ktomu, že tloušťka báze je malá ve srovnání s difuzní délkou, velké procento elektronů sedostane do bezprostřední blízkosti přechodu báze-kolektor. Tento přechod je pólován vzávěrném směru, ale pro majoritní nosiče v bázi, tedy díry. Pro elektrony, kteréprodifundovaly bází ke kolektorovému přechodu představuje blízkost kladného kolektoruurychlující potenciálový skok a tak elektrony, které se dostaly do blízkosti kolektorového

70 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněpřechodu (do oblasti dané šířkou přechodu báze-kolektor), budou tímto potenciálovýmskokem vtaženy do kolektoru.2. Uveďte složky proudu v bipolárním tranzistoru typu NPNpřechod emitor-bázepřechod kolektor-bázezapojen v propustném směruzapojen v závěrném směruzpětná injekce děrz báze do emitoru –děrová složkaproudu emitorovéhopřechodurekombinaceelektronů a děrv bázielektronová a děrovásložka proudukolektorovéhopřechoduinjekce elektronůz emitoru do báze– elektronovásložka prouduemitorovéhopřechodu3. Do čtyř kvadrantů souřadného systému zakreslete základnícharakteristiky bipolárního tranzistoru.Charakteristikypřevodnívýstupní= f ( IB)I C [mA] IC= f ( UCE)I = konstICU CE = konstU CE > 0,5 Vdifúzeelektronů v báziI Ckelektronyextrahovanékolektorovýmpřechodem –elektronová složkakolektorového prouduBI B [µA]I B [µA]PU CEU CE [V]U CE > 5 VI BU CE = 0vstupní= f U )zpětné= f ( U )U BE( UBECE I = konstIBBE U CE = konst[mV]B

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 714. Uveďte používané pracovní režimy tranzistoru.režim saturaceU BE > 0, U BC > 0I CU BC = 0hranice režimusaturacerežim aktivní normálníU BE > 0, U BC < 0I BI B = 0režim závěrnýU BE < 0, U BC < 0U CEU BE = 0hranice závěrnéhorežimu5. Uveďte tři základní zapojení bipolárního tranzistoru a jejich vlastnosti.zapojení se společným(uzemněným) emitorem - SEzapojení se společnou(uzemněnou) bází - SBzapojení se společným(uzemněným) kolektorem - SC

72 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 736. Jak jsou vyjádřeny zesilovací schopnosti tranzistoru ?Linearizovaný ekvivalentníobvod zesilovače pro malýnízkofrekvenční signál:h-parametry v pracovním bodě:Funkce součástek:R B , R C , R E … nastavení pracovního bodu tranzistoru ajeho stabilizace zavedením emitorové zpětné vazby (R E )C V …vazební (oddělovací) kondenzátory – oddělujístejnosměrnou a střídavou složku; 1/ω C V je velmi maléC E … přemostění emitorového odporu RE pro střídavousložku a její uzemnění; 1/ω C E

74 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněProud přechodem B-EProud přechodem B-CZávěrný proud přechodu B-EZákladní rovnice Ebersova-Mollova modeluzávěrný proud přechodu B-C8. Co je to bezpečná pracovní oblast tranzistoru – jak ji lze vyjádřit vevýstupních charakteristikách ?

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 75První průraz9. Za jakých okolností dochází k průrazům tranzistorové strukturyDruhý průrazTepelný druhý průraz jelokální tepelný průraz, k němuž dojde vmístě vyšší proudové hustoty (můžesouviset s geometrií struktury nebos nehomogenitou struktury).Zvýšení proudu vede ke zvýšeníteploty, to opět ke zvýšení prouduatd. (kladná zpětná vazba), vznikáhorké místo, do něhož sesoustřeďuje proud.Proudový druhý průrazvzniká při vypínání tranzistoru v obvodu s indukční zátěží: napětí UCE vlivem indukčnostizátěže vzroste při velkém IC , dochází k nárazové ionizaci a k náhlému zvýšení proudovéhustoty.10. Co je to Earlyho jev ?

76 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně11. Co jsou linearizované modely tranzistoru a jaký mají vztah k parametrůmdvojbranu ?Vytvoříme náhradní lineární dvojbran, sestavený na základě linearizace charakteristikv okolí klidového pracovního bodu P o pomocí Taylorova rozvoje se zanedbáním druhéderivace a vyšších.Při vytváření náhradního lineárního dvojbranu pro bipolární tranzistor je vhodnépoužít charakteristické rovnice dvojbranu a to tzv. rovnice hybridní příp. admitanční.Pro hybridní rovnice jsou výsledkem linearizace následující rovnice pro celkovéhodnoty elektrických veličin:u 1 – U 1Po = h 11 .(i 1 – I 1Po ) + h 12 .(u 2 - U 2Po ) (1)i 2 – I 2Po = h 21 .(i 1 – I 1Po ) + h 22 .(u 2 – U 2Po ) (2)(Index Po označuje hodnoty ve zvoleném klidovém pracovním bodě)Rovnice pro změny elektrických veličin pak mají následující tvar:∆u 1 = h 11 .∆i 1 + h 12 .∆u 2 (3)∆i 2 = h 21 .∆i 1 + h 22 .∆u 2 (4)Fyzikální význam jednotlivých parametrů h získáme následujícím způsobem:položíme-li v rovnici (3) ∆u 2 = 0 , potom⎛ ∆u= ⎜⎞⎟2h11 ⎜ ⎟ [Ω]⎝ ∆i1⎠ Pou0∆ 2 =Pro ∆i 1 = 0 v rovnici (3)dostanemeje vstupní diferenciální odpor při výstupu z hlediskastřídavého signálu nakrátko (∆u 2 = 0), tj. při konstantnímvýstupním napětíh12∆i2=0⎛ ∆u1⎞= ⎜u⎟ [bez rozměru]⎝ ∆ 2 ⎠Poje zpětný diferenciální přenos napětí při vstupuhlediska střídavého signálu naprázdno (∆i 1 = 0), tj. přikonstantním vstupním prouduAnalogickým způsobem dostaneme z rovnice (4) parametry h 21 a h 22 .h21∆u2=0⎛ ∆i2 ⎞= ⎜i⎟ [bez rozměru]⎝ ∆ 1 ⎠Poje proudový diferenciální přenos při výstupu nakrátko (∆u 2 = 0),tj. při konstantním výstupním napětíh22∆i1=0⎛ ∆i2 ⎞= ⎜u⎟ [S]⎝ ∆ 2 ⎠Poje výstupní diferenciální vodivost při vstupu naprázdno (∆i 1 = 0),tj. při konstantním vstupním proudu

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 77Náhradní lineární obvod v analogii s obecným schematem dvojbranu může vypadatnásledovně:podlerov.podlerov.obr. 1podlerov.obr. 2podlerov.Výsledkem jsou pak rovniceu 1 = h 11 .i 1 + h 12 .u 2 + U 1 (5)i 2 = h 21 .i 1 + h 22 .u 2 + I 2 (6)které již umožňují sestavení nábradniho obvodu podle obr.1. Náhradní lineární obvod pro změnyelektrických veličin pak dostaneme přímým překreslením rovnic (5) a (6) tak, jak je uvedeno na obr. 2.Uvedené náhradní obvody jsou zhlediska použitých prvků totožné pro všechnydvojbrany, a tedy i pro všechny typy tranzistorů a jejich obvodové konfigurace jako jezapojení se společným emitorem SE, kolektorem SC a bázi SB. Velké rozdíly ale existují protyto případy v hodnotách jednotlivých h parametrů, a proto je odlišujeme třetím indexem e, rnebo b, který označuje zapojení SE, SC nebo SB, např. h 21e , h 21b .12. Jak jsou vyjádřeny mezní kmitočty bipolárního tranzistoru ?

78 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně13. Jak pracuje bipolární tranzistor ve funkci spínače ?Principiální zapojení spínacího obvodu s tranzistorem je naobrázku. Obvykle se používají tranzistory v zapojení se společnýmemitorem, protože k ovládání stačí menší výkon než např. vzapojení se společnou bází.Základními stavy tranzistoru jako spínače jsou : otevřený stavodpovídající sepnutí jakéhokoliv spínače a uzavřený stavodpovídající rozepnutí spínače.Jak je zřejmé z grafu výstupních charakteristik tranzistoru, když tranzistor simulujerozepnutý stav spínače, teče obvodem kolektor - emitor jen zbytkový proud kolektoru I CE0 . Vtéto oblasti je tranzistor uzavřený a přechody B-E a B-C jsou polarizovány v závěrném směru.Při spínání přechází pracovní bod tranzistoru aktivní oblastí. V ní je přechod B-E polarizovánv propustném směru a přechod B-C v závěrném směru. Tranzistor simuluje sepnutý stavspínače, když je jeho pracovní bod v oblasti nasycení - saturace. Tato oblast je oddělená odaktivní oblasti hraniční křivkou oblasti saturace. Tato křivka je charakteristická tím, že bodyležící na ní splňují podmínku U BE = U CE tedy :U CE - U BE = U CB = 0Když se pracovní bod nachází v oblasti nasycení , přechody B-E a B-C jsoupolarizovány v propustném směru.Bipolární tranzistor v otevřeném stavu je řízený proudem vtékajícím do báze, protožejeho vstupní odpor je ve stavu saturace výstupu mnohem menší než výstupní odpor zdrojebudícího signálu. Naopak ve stavu uzavřeném (nevodivém) je bipolární tranzistor řízen

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 79napětím na bázi, protože jeho vstupní odpor je v tomto stavu mnohem větší než výstupníodpor zdroje budícího signálu.14. Jak se provede volba a nastavení pracovního bodu zesilovače s bipolárnímtranzistorem.Pro spolehlivou funkci tranzistorů je nutné nastavit určité pracovní podmínky.Hovoříme o nastavení pracovního režimu nebo pracovního bodu. Teprve vhodný pracovnírežim zesilovací součástky dává předpoklad k její řádné funkci, ke zpracování střídavéhosignálu.Na elektrody tranzistoru musíme připojit stejnosměrná napětí tak, aby emitorová diodabyla zapojena v propustném, kolektorová v nepropustném směru. Velikostí stejnosměrnýchnapětí a proudů je určen pracovní bod tranzistoru.Obvody pro nastavení pracovního bodu se stávají složitějšími jen vlivem opatření,kterými zajišťujeme stabilitu pracovního bodu, tj. neměnnost nastaveného pracovního režimu.Teplotní nestálost polovodičů způsobuje zvýšení kolektorového proudu, zejménazbytkového proudu I K0 . Pokud se tranzistor napájí přes větší rezistor v obvodu kolektoru,zvětšuje se při stoupání kolektorového proudu úbytek napětí na kolektorovém rezistoru,potřebné napětí na kolektoru tranzistoru se zmenšuje. Tím se dále zvětšuje teplota tranzistorua kolektorový proud dále narůstá a může tedy vést až k destrukci. Tak např. zvýšení teploty okaždých 10 °C odpovídá vzrůst proudu přibližně na dvojnásobek.a) Nastavení pracovního bodu tranzistoruZákladní zapojeni pro nastavení pracovního bodutranzistoru je na obr. 1. Je to zapojení pro nastavenipracovního bodu pomoci předřadného rezistoru Rl. Bázetranzistoru se připojuje na kladný pól zdroje přespředřadný rezistor R l . Emitor je tedy polarizován protibázi kladně - je splněn jeden požadavek: emitorová diodaje zapojena v propustném směru. Kolektor se připojujena kladný pól zdroje. Má-li být splněn druhý požadavek,tj. zapojení kolektorové diody v nepropustném směru,musí být kolektor proti bázi kladnější. Toho dosahujemevhodnou volbou předřadného rezistoru R 1 .Tímto zapojením byl jen nastaven pracovní bod. Prostabilizací pracovního bodu zatím nebylo uděláno nic.R 1U BER CII CBI EObr. 1U RcU CE+U CC-b) Stabilizace pracovního boduStabilizace pracovního bodu při kolísání teploty se dosáhne tím, že se proti narůstáníkolektorového proudu (způsobeného vzrůstem teploty ) působí změnou potenciálu bázetranzistoru.Jednoduché zapojení pro nastavení pracovního bodu tranzistoru i s jeho stabilizací je naobr. 2. Od základního zapojeni na obr.1 se liší tím, že mezi emitor a kladny pól zdroje je

80 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brnězapojen rezistor R E - emitorový stabilizační rezistor. V čem spočívá stabilizační účinektohoto rezistoru. Napětí na předřadném rezistoru Rl je v daném zapojení dáno rozdílem mezinapájecím napětím U 0 a úbytkem napětí na emitorovém rezistoru R E .Zvětší-li se proud kolektoru (např. zvýšenímteploty), zvětší se úbytek napětí U E na emitorovém+rezistoru. Tím se zmenší napětí U 1 na rezistoru R l ,klesne proud báze a výsledkem je zmenšení proudu R 1RU Rc Ckolektoru, tedy částečná kompenzace jeho původníhoI Cnarůstání.C VIC B1U CCZapojení na obr. 2 je vlastně základním~Uzapojením jednoho stupně tranzistorového zesilovače.CEStřídavý signál, který má tranzistor zesílit, se dostává~I Epřes kondenzátor C 1 na bázi tranzistoru, výstupní U BEstřídavý signál se odebírá přes kondenzátor C V zR EU REkolektoru.-V zásadě platí, že stabilizační účinek obvodu jetím lepší, čím větší je rezistor v obvodu emitoru a čímObr. 2menší je rezistor R 1 v obvodu báze. Pracovní bod naobr. VI-5. není nastaven pomocí předřadného+rezistoru, ale pomocí děliče napětí R 1 , R 2 , připojenéhona zdroj U CC . Potenciál báze tranzistoru je určen R 1RU Rc Cnapětím na odbočce děliče, na kterou je bázeI Cpřipojena. Jak lze z obr. VI-5 snadno vyčíst, jsouCI Vrezistory děliče (přes malý vnitřní odpor napájecího C B1U CC~zdroje) zapojeny vlastně paralelně. Jako odpor vU CEobvodu báze se uplatňuje odpor paralelní dvojice R 1 , ~R 2 , který je menší než samotný odpor rezistoru R 1I ER(obr. VI-3 a 4).2 U BER EU REStabilizační účinek zapojení podle obr. VI-5 jedobrý. Kompenzace změn kolektorového proudu je-účinná, při zvýšení I K zvětší se napětí na emitorovém Obr. VI - 5rezistoru, napětí mezi bází a emitorem se zmenší avýsledkem je zmenšení kolektorového proudu.Zapojeni na obr.VI-5 je jedním z nejpoužívanějších. Kromě popsaných způsobů jsouještě jiné možnosti nastavení a zejména stabilizace pracovního bodu, které jsou všaksložitější.

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 81Seznam použité literatury[ 1 ] Fojt J., Vobecký J., Záhlava V., Krejčiřík A.: Elektronika – cvičení. ČVUT Praha1995.[ 2 ] Vobecký J.,Záhlava V. : Elektronika – součástky a obvody, principy a příklady.GRADA Publishing, spol.s r.o., Praha 2000.[ 3 ] Musil V., Brzobohatý J., Boušek J., Prchalová I.: Elektronické součástky. VUT v Brně.1996.