Kapittel 18 Grunnleggende diodekoplinger Revidert versjon 1. feb. 2012 T.Lindem Kapittel 18 Grunnleggende diodekoplinger Likeretter (Rectifier) – omforme AC til DC Rectifier (Likeretter) – en diodekrets som omformer en AC til pulserende DC Filter – en krets som reduserer variasjonene i spenningen ut fra en likeretter Voltage Regulator – Spenningsregulator – krets som opprettholder konstant spenning (DC-out) Spenningen holdes konstant selv om belastningen endres (!)

Kapittel 18 Grunnleggende diodekoplinger Halvbølge likeretter – en diode er plassert i serie mellom en transformator og lasten ( mottakerkretsen ). Positiv halvbølge likeretter – leverer en serie positive pulser Negativ halvbølge likeretter – leverer en serie negative pulser

Kapittel 18 Helbølge likeretter Helbølge likeretter – 2 dioder tilkoplet en sentertappet transformator

Kapittel 18 Helbølge likeretter Helbølge likeretter – uten sentertappet transformator , - men med 4 dioder Dette er den mest benyttede likeretterkopling. ( Sentertappet transformator er en kostbar komponent – dioder er billige )

Kapittel 18 Likeretter med filter Power Supply Filter – en krets som reduserer variasjonene I DC spenningen ut fra likeretteren. En stor kondensator koples parallellt med lasten = RC-filter ”Rippel” – ”Ripples” Ripples = krusninger. Rest av AC overlagret DC spenningen

Kapittel 18 Likeretter med filter Surge Current – ladestrøm til kondensatoren I det øyeblikk dioden begynner å lede – og kondensatorspenningen er 0 volt – vil kondensatoren virke som en kortsluttning. Strømmen begrenses kun av: Motstanden i transformatorens sekundærvikling Motstanden i ledningene Den interne motstanden I dioden (Bulk resistance) Ladestrømmen kan bli redusert hvis vi setter inn en spole i serie.

Kapittel 18 Klippere Transient beskyttelse Transient – en meget rask endring i enten strøm eller spenning – Kan ødelegge halvlederkomponenter. Forekommer ofte som elektrostatisk utladning når man berører komponenter. Har du klær av syntetisk materiale kan du fort “lades opp” til spenninger på over 1000 volt. Det er viktig at du er “jordet” når du behandler transistorer og integrerte kretser ! Mange kretser må beskyttes mot overspenninger – til dette brukes diode“klippere” . Diode D1 leder hvis input-signalet overstiger +5,7volt --- D2 leder hvis input-signalet blir lavere enn - 0,7volt

Kapittel 18 Spenningsdoblere (Voltage Multipiers) Halvbølge “Voltage Doublers”

Kapittel 18 Spenningsdoblere (Voltage Multipiers) Kvadrupler Vi øker spenningen 4 ganger (4 kV -> 16 kV) De 2 figurene under viser samme krets – men tegnet opp litt forskjellig Neste - BJT

Transistorer – en alternativ presentasjon © Lindem 4. feb 2011 Transistorer – en alternativ presentasjon Dekkes delvis i boka Kap 19 -21 Temapunkter for de 3 neste ukene Beskrive struktur og virkningsmekanismer i bipolare junction transistorer (BJT) Forklare operasjonen til en BJT klasse A-forsterker Analysere klasse B - og klasse AB - forsterker Kort analyse av “bryterkretser” – switching circuits Beskrive strukturene og operasjonen til felteffekt transistorene JFET og MOSFET

DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT En BJT er bygget opp av tre dopede regioner i et halvledermateriale – separert med to pn-overganger (pn junctions) Disse regionene kalles Emitter, Base og Kollektor Det er to typer BJT-transistorer – avhengig av sammensetningen til de dopede områdene – npn eller pnp

DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT Det er to halvlederoverganger – ( junctions ) - base - emitter junction og base - collector junction Uttrykket bipolar refererer seg til at både elektroner og hull inngår i ladningstransporten I transistorstrukturen. Skal transistoren virke som forsterker må de to overgangene ha riktig forspenning - Base - emitter (BE) junction er forspent i lederetning - Base - collector (BC) junction er forspent i sperreretning

DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT + - Emitter Base Kollektor Base-Emitter-dioden forspennes i sperreretning. Emitter-Base-dioden forspennes i lederetning VBE= 0,7 volt elektroner strømmer fra Emitter inn i Basen Basen er fysisk tynn – pga. diffusjon strømmer elektroner mot Kollektor. Elektronene er minoritetsbærere i et p-dopet materiale. Bare noen få elektroner vil rekombinere med hull - og trekkes ut som en liten strøm på base- ledningen. De aller fleste elektronene når ”depletion layer” på grensen mot Kollektor. Pga. E-feltet vil elektronene bli trukket over til kollektor, - hvor de fritt trekkes mot den positive batteripolen. IE = IB + IC

DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT Under normale arbeidsforhold vil strømmene IC og IE variere direkte som funksjon av IB → IC = β ·IB Strømforsterkningen β vil være i område 50 - 300 Transistoren har 3 operasjons -”modi” Base-Emitter Junction Collector-Base Junction Operating Region Reverse biased Forward biased Cutoff Active Saturation

DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT CUTOFF Begge diodene er koplet i sperreretning VCE = VCC (forsyningsspenning) SATURATION Begge diodene er koplet i lederetning VCE ~ 0,1 -0,2 volt ACTIVE Base – Kollektor -dioden i sperreretning Emitter – Base – dioden i lederetning

DC operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT Forholdet mellom IE, IC og IB Kirchhoff : IE = IB + IC DC- strømforsterkning β : IC = β ·IB 50 < β < 300 For AC signaler brukes ofte betegnelsen hFE på β Straks base-emitter-dioden begynner å lede vil strømmen IC holde seg nesten konstant – selv om VCE øker kraftig. IC øker litt pga redusert tykkelse på base-område. Når VCE øker – øker tykkelsen på ”sperresjiktet” mellom basis og kollektor. Hvis sperresjiktet fyller hele basis opplever vi ”punch through” – gjennomslag.

Operasjon til en Bipolar Junction Transistor - BJT I transistorens aktive område vil kollektorstrømmen IC endre seg lite – selv om VCE øker kraftig. Strømmen bestemmes helt av base-emitter-dioden – og strømmen IB som trekkes ut på basen. ( laboppgave # 3 ) Arbeidslinje - lastlinje La transistoren arbeide i sitt aktive område. Velg arbeidspunkt midt på lastlinja.(Vcc/2). Se på figuren hvordan små strømendringer på basen gir store spenningsendringer over transistoren. ( Transistor – trans resistans – et uttrykk som forteller at komponenten kan betraktes som en variabel motstand.)

Bipolar Junction Transistor – BJT brukt som forsterker DC - beregning på en enkel transistorforsterker : Du har gitt en transistor med kjent strømforsterkning β Du velger VCC og IC Du beregner RC , IB og RB Eksempel : Vi har en npn-transistor BC546 med strømforst. β = 100. Vi har et batteri på 9 volt ( VCC= 9 v ) Velger arbeidspunkt ved Vcc/2. Det betyr at VCE må være 4,5 volt Velger 1mA som kollektorstrøm. Kondensatorene stopper DC – men slipper AC - signalet igjennom

Denne transistoren brukes på laben i FYS1210 Datablad for en Bipolar Junction Transistor – BC546 Denne transistoren brukes på laben i FYS1210 β

En enkel BJT - transistor brukt som forsterker - temperaturproblemer Strømforsterkningen β vil endre seg med temperaturen. Det betyr at arbeidspunktet A vil flytte seg langs last linjen med temperaturen. IC A1 A2 A3 Vi vil ha en krets hvor strømmen ICQ er mest mulig stabil – uavhengig av β VCE Emitter motkopling - (neg. feedback)

Neste småsignalparametere En enkel BJT - transistor brukt som forsterker - temperaturproblemer Best stabilisering mot temperaturdrift og variasjoner i β får vi med en emittermotstand RE og i tillegg ”låse fast” spenningen på basen med en spenningsdeler - R1 og R2) (Denne koplingen har fått navnet Universal bias) Skal vi gjøre en kretsanalyse på denne kretsen må vi bruke Thevenin – se fig. under. Hvis β varierer fra 50 til 100 vil ICQ bare endre seg fra β = 50 → ICQ= 1,46 mA β = 100 → ICQ= 1,56 mA Endring på 6,8% - når β dobles Neste småsignalparametere

rπ og gm kalles småsignalparametere En enkel BJT - transistor brukt som forsterker - Hvor stor blir forsterkningen ? Vi ser på Småsignalmodeller Vi har sett hvordan vi vha. en emittermotstand kan stabilisere forsterkerens arbeidspunkt - Alle betraktninger så langt er gjort med en DC – modell av forsterkeren. ( En statisk beregningsmodell ) Men hvordan virker forsterkeren for små signaler ? Vi erstatter det vanlige transistorsymbolet med en småsignalmodell – og signalstrømmer og spenninger angis med små bokstaver Mellom Base og Emitter ”ser” signalet en ”dynamisk” motstand rπ (BE-dioden) – mellom Emitter og Collector finner vi en strømgenerator som leverer signalstrømmen iC . Denne strømmen bestemmes av transistorens transkonduktans gm rπ og gm kalles småsignalparametere

Småsignalparametere : gm og rπ Transkonduktans - steilhet gm ( benevning Siemens ) ΔIC ΔVBE IC VBE Steilheten gm er gitt av tangenten til kurven for IC . Deriverer IC mhp. VEB Eksempel : Forsterkeren settes opp med IC = 2 mA - som gir

Småsignalparametere : gm og rπ Dynamisk inngangsmotstand rπ ΔIC ΔVEB IC VEB Forholdet mellom ΔVEB og ΔIB kalles den dynamiske inngangsresistansen rπ Kombinerer likning 1) og 2)

Transistorforsterker Vi beregner spenningsforsterkningen AV Gitt VCC=10volt Setter VC= 5volt Vi bestemmer at IC = 2mA