ΠΟΛΩΣΗ KAI ΘEPMIKH ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ
 
 

Εισαγωγή
 Με τον όρο "πόλωση" (bias) εννοούμε την κατάλληλη συνεχή (dc) τάση (η τάσεις) που πρέπει να εφαρμόσουμε στο κύκλωμα ενός ηλεκτρονικού στοιχείου, άρα και ενός τρανζίστορ, ώστε να εξασφαλίσουμε την ομαλή λειτουργία του στο συνεχές, αλλά και στην περίπτωση που θα εφαρμόζαμε και εναλλασσόμενο σήμα στην είσοδο του κυκλώματος.

Η συνεχής αυτή τάση (ή τάσεις) πόλωσης καθορίζει και την τιμή των αντιστάσεων μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η κατάλληλη πόλωση,
εφόσον είναι γνωστά τα ρεύματα. Στην πράξη όμως εργαζόμαστε συνήθως αντίστροφα. Μας δίνονται δηλαδή οι τάσεις των πηγών και οι διαθέσιμες αντιστάσεις και επιζητούμε να βρούμε τα ρεύματα στο κύκλωμα πόλωσης, καθώς και τις τάσεις που επικρατούν ή πρέπει να επικρατούν στις επαφές (διόδους) του τρανζίστορ.

 

1.2 Κύκλωμα πόλωσης σε συνδεσμολογία CE

 

Στη συνδεσμολογία κοινού-εκπομπού (CE), ο εκπομπός είναι κοινός στο κύκλωμα εισόδου και εξόδου. Ένα κύκλωμα πόλωσης σε συνδεσμολογία CE φαίνεται στο Σχ. 1.1. Στο κύκλωμα αυτό, επιθυμούμε να υπολογίσουμε τις τάσεις πόλωσης VBE και VCE που απαιτούνται για τη σωστή λειτουργία, καθώς και το σημείο ηρεμίας Q, γύρω από το οποίο πραγματοποιείται η λειτουργία.

 

Σχήμα 1.1. Κύκλωμα σταθερής πόλωσης σε συνδεσμολογία CE

 

Το τρανζίστορ είναι τύπου NPN αλλά η ανάλυση που ακολουθεί ισχύει και για PNP, αρκεί να αντιστρέψουμε τις πολικότητες των τάσεων και τη φορά των ρευμάτων. Για την ανάλυση, θεωρούμε ότι το όλο κύκλωμα του Σχ.1.1 αποτελείται από το κύκλωμα εισόδου και το κύκλωμα εξόδου, έτσι που να μπορούμε να τα αναλύσουμε ξεχωριστά.
Στο Σχ.1.2 εικονίζονται τα κυκλώματα εισόδου και εξόδου που συνιστούν το όλο κύκλωμα του Σχ.1.1.

 

 

 

 

 

 
Σχήμα 1.2. Κύκλωμα εισόδου (α) και εξόδου του κυκλώματος του Σχ.1.1. 

 

 

1.2.1 Ανάλυση του Κυκλώματος Εισόδου

Για το κύκλωμα εισόδου, Σχ.1.2α, ο νόμος των τάσεων του Kirchhoff (ΝΤΚ) δίνει:

 

 

Λύνοντας ως προς ΙΒ έχουμε:

 

Επειδή η V_ΒΕ είναι πολύ μικρή συγκριτικά με την V_CC, μπορούμε με προσέγγιση να γράψουμε:

Από τη σχέση αυτή, όταν έχουμε γνωστά τα V_CC και R_B, βρίσκουμε το Ι_Β.

 

1.2.2 Ανάλυση του Κυκλώματος Εξόδου

Ειδικά για τα κυκλώματα πόλωσης, μπορούμε άνετα να υποθέσουμε ΙΕ ~= IC, αφού στο dc έχουμε α0 ~= 1. Όπως γνωρίζουμε όμως για τις υβριδικές παραμέτρους, τα ρεύματα I_C και Ι_Β συνδέονται με τη σχέση:

To β₀ (στατικό β η β στο dc) ταυτίζεται με την υβριδική παράμετρο hFE (ενώ το β στο ac ταυτίζεται με το hfe ).
Επειδή το β0 είναι γνωστό για το εκάστοτε συγκεκριμένο τρανζίστορ, καθώς και το IB, έπεται ότι, με βάση την Εξ. (1.2.4), μπορούμε να υπολογίσουμε και το IC, το οποίο μάλιστα είναι ανεξάρτητο της RC.
Από το κύκλωμα εξόδου, εφαρμόζοντας το ΝΤΚ, έχουμε επίσης:

Από τη σχέση αυτή προσδιορίζουμε την τάση πόλωσης V_CE, αφου τα άλλα μεγέθη της Εξ. (1.2.6) είναι γνωστά.
Συνεπώς, η παραπάνω ανάλυση μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε τα ρεύματα και τις τάσεις πόλωσης.

 

 

 1.2.3 Ευθεία Φόρτου και Σημείο Λειτουργίας

 

Θεωρούμε τις χαρακτηριστικές εξόδου της συνδεσμολογίας CE για κάποιο τυπικό τρανζίστορ. Οι χαρακτηριστικές αυτές φαίνονται στο Σχ.1.3. 

Σχήμα 1.3. Χαρακτηριστικές της συνδεσμολογίας CE και ευθεία φόρτου

 

Για να χαράξουμε την ευθεία φόρτου, θεωρούμε την Εξ.(1.2.6) και λύνουμε ως προς I_C:

Η εξίσωση αυτή, σε διάγραμμα με άξονες V_CE ® x και Ic® y ε, είναι γραμμική σχέση της μορφής y = mx + λ και συνεπώς παριστάνει μια ευθεία γραμμή. Η ευθεία αυτή ονομάζεται ευθεία φόρτου στο συνεχές (dc ευθεία φόρτου). Για να χαράξουμε την παραπάνω ευθεία φόρτου, πρέπει να προσδιορίσουμε δυο σημεία της ή ένα σημείο και την κλίση της, που είναι ίση με:

Σαν τέτοια σημεία λαμβάνουμε συνήθως τα σημεία τομής της με τους άξονες. Οπότε, για το ένα σημείο έχουμε IC= 0 και VcE = Vcc. Έτσι με το Vcc γνωστό, καθορίζεται το ένα σημείο. Για το άλλο σημείο έχουμε V_CE = 0 άρα έπεται:

I_C=V_CC/R_C

Έτσι, με την R_C γνωστή, καθορίζεται το άλλο σημείο. Η τελική χάραξη της ευθείας φόρτου φαίνεται στο Σχ.1.3.
Με τη χάραξη της ευθείας φόρτου, μπορούμε να προσδιορίσουμε το σημείο λειτουργίας ή ηρεμίας Q. Για την εύρεση του Q απαιτείται η γνώση της τιμής του IB. Η τιμή του δίνεται από την Εξ.(1.2.3) και έστω ότι έχει την τιμή π.χ. I_B=40 μΑ, όπως ακριβώς δείχνει το Σχ.1.3. Η τομή της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική που αντιστοιχεί στο ρεύμα βάσης, καθορίζει το σημείο ηρεμίας Q. (Σημειώστε ότι κατά τη διάρκεια της λειτουργίας στο ac, το σημείο λειτουργίας πηγαινοέρχεται πάνω στη λεγόμενη ac ευθεία φόρτου).

1.2.4 Ρεύμα Κόρου του Τρανζίστορ

Για την κανονική λειτουργία ενός τρανζίστορ χωρίς τον κίνδυνο καταστροφής του, και επιπλέον με πιστή απόδοση του σήματος εισόδου στην έξοδο (δηλ. χωρίς εισαγωγή παραμόρφωσης), θα πρέπει το ρεύμα συλλέκτη Ι_C να μην είναι πολύ μεγάλο, δηλ. να μην υπερβαίνει μια μέγιστη τιμή ICS. Το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη Ι_C βρίσκεται από την Εξ.(1.2.7) και είναι:

Το ρεύμα αυτό επιτυγχάνεται, όταν:

Το ρεύμα αυτό, που λέγεται ρεύμα κόρου του τρανζίστορ, αντιστοιχεί στο επάνω ακρότατο σημείο της ευθείας φόρτου (γραμμοσκιασμένη περιοχή). Για παρόμοιο λόγο, η τάση VCES, με την οποία επιτυγχάνεται το ρεύμα αυτό, λέγεται τάση κόρου. Στην πράξη η VCES, είναι της τάξης μερικών δέκατων του βολτ.
Όταν το ΙC είναι πολύ μεγάλο, η επαφή του συλλέκτη του τρανζίστορ θερμαίνεται υπερβολικά και το τρανζίστορ καταστρέφεται. Επίσης, στην περίπτωση που το κύκλωμα εργάζεται ως ενισχυτής, όταν το ΙC είναι πολύ μεγάλο, δεν έχουμε πιστή αναπαραγωγή του σήματος εισόδου στην έξοδο. Δηλαδή, έχουμε παραμόρφωση του σήματος στην έξοδο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι το κύκλωμα εργάζεται στα μη γραμμικά τμήματα των χαρακτηριστικών καμπυλών του Σχ.1.3.

Για τη βέλτιστη λοιπόν λειτουργία, δηλ. για να έχουμε γραμμική περιοχή, θα πρέπει να ισχύει με προσέγγιση:

1.2.5 Ρεύμα Αποκοπής του Τρανζίστορ

Με βάση την Εξ.(1.2.4), για να αποκοπεί ένα τρανζίστορ, δηλ. να γίνει το ρεύμα συλλέκτη ΙC μηδέν, θα γίνει (περίπου) μηδέν και το ΙΒ. Το ρεύμα αυτό ΙΒ (~=0), για το οποίο ΙC=0 ονομάζεται ρεύμα αποκοπής του τρανζίστορ.
Η Εξ.(1.2.4), όμως, ισχύει κατά προσέγγιση και κατ' αντιστοιχία όταν το ΙΒ γίνει μηδέν, το ΙC δεν είναι ακριβώς μηδέν και αντίστροφα. Αποδεικνύεται ότι η ακριβής έκφραση της Εξ.(1.2.4) είναι:

Το μέγεθος I_CO αποτελεί μια νέα παράμετρο του τρανζίστορ και ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα κόρου. Το ρεύμα αυτό ορίζεται ως το ρεύμα που ρέει από το συλλέκτη στη βάση του τρανζίστορ, όταν η είσοδος είναι ανοικτή, δηλαδή ΙΕ=0 σε συνδεσμολογία CB. Γι' αυτό το λόγο, το ρεύμα ICO συμβολίζεται και με το ICBO. Το Σχ.1.4 δείχνει πως ορίζεται το ρεύμα αυτό.

 

 

 

 

Σχήμα 1.4. Ανάστροφο ρεύμα κόρου
To I_CO, ως παράμετρος του τρανζίστορ, δίνεται στα δεδομένα των κατασκευαστών του τρανζίστορ και είναι πολυ μικρό. Εξάλλου, από την Εξ.(1.2.1) βρίσκουμε ότι, για να έχουμε αποκοπή, δηλ. IC = 0 πρέπει να έχουμε

I_Β = -I_CO /a0   ~= - I_CO.

Συνεπώς, το ρεύμα αποκοπής θα είναι κατ' απόλυτη τιμή ίσο με το I_CO , άρα πολύ μικρό αλλά όχι μηδενικό.

 

 

 

1.2.6 Επίδραση της Θερμοκρασίας στην Πόλωση

 

Το κύκλωμα σταθερής πόλωσης του Σχ.1.1 μπορεί να δώσει μεγάλη απολαβή αν εργασθεί ως ενισχυτής. Υπάρχουν όμως δυσκολίες στο να διατηρείται η πόλωση σταθερή, π.χ. να παραμείνει αμετάβλητο το σημείο ηρεμίας Q. Αυτό οφείλεται στο ότι το IC μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Συγκεκριμένα, το IC μεταβάλλεται επειδή μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία και τα τρία παρακάτω μεγέθη, με τα οποία σχετίζεται:

1. Το ανάστροφο ρεύμα κόρου, ICO, το οποίο διπλασιάζεται σε κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10° C.
2. Η τάση πόλωσης βάσης- εκπομπού , VBE, η οποία, με αυξηση της θερμοκρασίας κατά 1 C, ελαττώνεται κατά 2.5 mV [βλέπε και Εξ.(1.2.2) με αύξηση του IB].
3. Η απολαβή β0 του τρανζίστορ, η οποία αυξάνει με τη θερμοκρασία.
O! τιμές των μεγεθών αυτών, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, για
ένα τυπικό τρανζίστορ πυριτίου (Si), φαίνονται στον Πίνακα 1.2.1.

 

Πίνακας 1.2.1. Μεταβολή των ΙΟ, ,0 και VBE, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας σε τρανζίστορ Si

Αν λάβουμε υπόψη τις τιμές του πίνακα και την Εξ.(1.2.11), συμπεραίνουμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας μεταβάλλει εύκολα τις αρχικές συνθήκες πόλωσης. Συγκεκριμένα, μεταβάλλονται οι χαρακτηριστικές του τρανζίστορ και το ρεύμα συλλέκτη IC που αντιστοιχεί στο σημείο ηρεμίας Q.
Για να επιδείξουμε την επίδραση που επιφέρουν τα ICO και β0 στις συνθήκες πόλωσης, όταν αυτά μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία, θεωρούμε τις χαρακτηριστικές του Σχ.1.5. Οι χαρακτηριστικές αυτές έχουν ληφθεί σε θερμοκρασίες 25 C και 100 C για το ίδιο τρανζίστορ.

 

 
Σχήμα 1.5. Μετάθεση του σημείου Q λόγω αλλαγής της θερμοκρασίας 25°C (α),100°C (β)
 

Από το σχήμα αυτό βλέπουμε, ότι το σημείο ηρεμίας Q μετατοπίστηκε  πάνω στην ευθεία φόρτου προς μεγαλύτερες τιμές του IC και μάλιστα στους 1000 C βρίσκεται κοντά στην περιοχή κόρου. Αυτό οφείλεται στο ότι τόσο το ICO, όσο και το β0, αυξήθηκαν με τη θερμοκρασία. Η αύξηση του β0 με τη θερμοκρασία, φαίνεται από την αύξηση των αποστάσεων των χαρακτηριστικών κατά μήκος της ευθείας φόρτου. Για να το πιστοποιήσουμε αυτό, θεωρούμε το γενικό ορισμό του δυναμικού β, (δηλ. β στο ac ή το hfe) για το οποίο έχουμε:

Για την ίδια μεταβολή ΔΙΒ στις χαρακτηριστικές (α) και (β), το ΔIC στις (β) είναι μεγαλύτερο από ότι στις (α). Κατά την παραπάνω σχέση, αυτό αντιστοιχεί σε αύξηση του β με τη θερμοκρασία, όπως άλλωστε δείχνει και ο Πίνακας 1.2.1.
Η μεταβολή του VBE με τη θερμοκρασία δεν έχει τόσο μεγάλη επίδραση στις συνθήκες πόλωσης (π.χ. θέση του σημείου Q), όσο έχει η μεταβολή του β0. Αναφέρουμε μόνο ότι, για να περιορίσουμε την επίδραση του VBE στις συνθήκες πόλωσης, συνδέουμε συχνά μια αντίσταση RE μεταξύ εκπομπού και γείωσης.

 

 

 

 

 Παράδειγμα 1-1

Να υπολογίσετε τις τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης για το κύκλωμα CE του Σχ.1.6. Το τρανζίστορ είναι τύπου NPN και έχει β0=50.

Σχήμα 1.6. Κύκλωμα σταθερής πόλωσης σε συνδεσμολογία CE

 
Λύση

Ακολουθούμε την πορεία που αναφέραμε προηγουμένως, οπότε με βάση τις Εξ. (1.2.2), (1.2.4) και (1.2.6), έχουμε:

 

Προσθήκη νέου σχολίου

Όνομα (υποχρεωτικό)

E-mail (υποχρεωτικό)

Ιστότοπος

Αποστολή ειδοποίησης σε περίπτωση νέων σχολίων

Ανανέωση

Αποστολή

Ακύρωση