Elektronica
H1: Halfgeleidertheorie
Halfgeleidermaterialen
Halfgeleider = stof waarvan soortelijke weerstand tussen die van
geleiders en isolatoren ligt. Door bepaalde manipulaties =>
gedrag van geleiders doen aannemenMeest gebruikte materialen:
germanium Ge (atoomnummer 14) en silicium Si (atoomnummer
32).Elektronen rond atoom zijn geschikt in energiebanden
(schillen): K, L, M, N, O, P, QMaximum aantal elektronen per schil
= 2nHoe dichter een elektron bij de kern is, hoe sterker het
elektron aan de kern gebonden is (meer energie nodig om het los te
krijgen).
Buitenste schil = valentieband, bij Ge en Si 4
valentie-elektronen => vierwaardige elementen.Wanneer er
voldoende energie toegevoegd wordt aan het atoom verplaatsen de
valentie-elektronen zich naar een hoger gelegen excitatie-niveau =
geleidingsband. Bij absolute nulpunt (0 K, -273C) zijn er geen
elektronen in de geleidingsband.Elektronen in de geleidingsband =
vrije elektronen => gaan vrij door de materie bewegen. Scheiding
tussen valentieband en geleidingsband = verboden zone (= bepaald
energiebedrag), hierin kunnen geen elektronen zitten. Bij geleider
=> geleidingsband en valentieband overlappen, verboden zone is 0
eV (of zeer klein) => elektronen kunnen zich vrij bewegen van
valentieband naar geleidingsbandBij halfgeleider => klein
energiebedrag tussen valentieband en geleidingsband, verboden zone
is klein (grootteorde 1 eV) => nog overbrugbare zone (mits
toegevoegde energie)Bij isolator => groter energiebedrag tussen
valentieband en geleidingsband, verboden zone is groter (> 5 eV)
=> zeer moeilijk om nog elektronen in de geleidingsband te
krijgen
Kristalstructuur van Ge en Si (vierwaardige elementen) =>
covalente binding met 4 burenZeer zuiver Ge en Si = intrinsiek
materiaal verontreinigd Ge en Si = extrensiek materiaalBij absolute
nulpunt => geen elektronen in de geleidingsbandBij hogere
temperatuur => valentie-elektronen absorberen energie =>
verbreken covalente binding en bewegen in geleidingsband =>
laten een positief geladen plaats (gat) open in het
kristalrooster.Generatie = ontstaan van positief geladen gaten en
vrije elektronen door temperatuursverhogingRecombinatie = vrije
elektronen combineren terug met gatenBij stijgende temperatuur
daalt dus de weerstand.Bij bepaalde temperatuur => evenwicht
tussen generatie en recombinatie => materiaal is elektrisch
neutraal
Verontreiniging van halfgeleiders
Bruikbare halfgeleider => kleine hoeveelheid vreemde atomen
toevoegen aan kristal => doperenIngebrachte atomen: Volume
ongeveer gelijk aan volume van atomen van kristal zelf
(kristalstructuur niet verstoren) Aantal zeer gering
(germanium:1/106, silicium: 1/108) Gering aantal => goed
verspreid => elke verontreiniger omgeven door 4 normale
atomen
N-materiaal => verontreiniging met vijfwaardig element
(fosfor P, arsenicum As, antimoon Sb) Vijfde elektron nog zwak
verbonden met atoom Temperatuurstoename => vijfde elektron gaat
over naar geleidingsband (al bij enkele K) Hierdoor is
achtergelaten atoom een positief ion geworden Meer elektronen (door
generatie van kristal en verontreiniging) dan gaten (door generatie
van kristal) Dit materiaal noemt men een donor (doneert vrije
elektronen)
P-materiaal => verontreiniging met driewaardig element
(aluminium Al, gallium Ga, indium In, boor B) Er ontbreekt 1
elektron om een perfecte binding tot stand te brengen => gat
(elektrisch neutraal) Dit gat trekt een elektron van een naburig
atoom aan om de covalente binding tot stand te brengen Hierdoor
ontstaat een negatief ion in het rooster, en is er een nieuw gat
ontstaan bij het naburig atoom Meer gaten (door generatie van
kristal en verontreiniging) dan elektronen (door generatie van
kristal) Dit materiaal noemt men een acceptor (accepteert
elektronen)PN-overgang
Stuk P-materiaal verbinden met een stuk N-materiaal: In het
N-materiaal zijn er meer vrije elektronen, in het P-materiaal meer
gaten Concentratieverschil => diffusiestroom van elektronen van
N-materiaal naar P-materiaal Elektronen die in grensgebied overgaan
combineren direct met gaten en worden inactief P- en N-materiaal in
de grenszone raken hun vrije ladingsdragers kwijt Voortdurend
toestromen van elektronen in grenszone van P-materiaal =>
negatieve potentiaal Voortdurend wegstromen van elektronen in
grenszone van N-materiaal => positieve potentiaal
Potentiaalverschil UD (diffusiepotentiaal) tussen P- en N-materiaal
=> steeds moeilijker voor elektronen om over te gaan van
N-materiaal naar P-materiaal => diffusiestroom neemt af
Minderheidsladingsdragers (elektronen in P-materiaal, gaten in
N-materiaal) gebruiken diffusiepotentiaal: elektronen uit
P-materiaal gaan naar N-materiaal => driftstroom tegengesteld
aan diffusiestroom Na verloop van tijd: evenwicht tussen
diffusiestroom en driftstroom => verbinding in evenwicht Zone in
grenslaag waar geen vrije ladingsdragers meer zijn = spergebied of
sperzone Diffusiepotentiaal is bij silicum ongeveer 0,7 V, bij
germanium ongeveer 0,3 V (bij kamertemperatuur) Ongelijke dopering
=> zonebreedte is omgekeerd evenredig met concentratie aan
verontreiniging (bv. P-materiaal sterker gedopeerd dan N-materiaal
=> sperzone P-materiaal is kleiner dan sperzone N-materiaal)
Grootteorde sperzone => enkele m
Diodewerking
Uitwendige bron aansluiten met pool aan P-materiaal, +pool aan
N-materiaal: Gaten in P-materiaal aangetrokken door pool, vrije
elektronen in N-materiaal aangetrokken door +pool Ladingsdragers
gaan weg van de sperzone => sperzone verbreedt Diffusiestroom
verdwijnt volledig => spanning wordt groter Aangelegde spanning
bevordert driftstroom van minderheidsladingsdragers (driftstroom
hangt meer af van temperatuur dan van aangelegde spanning) Zodra
alle minderheidsladingsdragers deelnemen aan driftstroom kan deze
niet meer vergroten in waarde => verzadigingsstroom IS
(saturatie) Spergebied aanwezig tussen 2 halfgeleiders =>
condensator (spercapaciteit)Uitwendige bron aansluiten met +pool
aan P-materiaal, pool aan N-materiaal: Aangelegde spanning werkt
diffusiespanning tegen => breedte van sperzone vermindert
Diffusiestroom (vroeger beperkt door diffusiepotentiaal UD) neemt
nu toe Aangelegde spanning verhogen tot boven de waarde van UD
=> stroom stijgt snel tot zeer grote waarde (diode begint te
geleiden)P-materiaal is de anode, N-materiaal is de kathode
Karakteristiek van de diode:Zone 1: Diode is in sperrichting
gepolariseerd Stroom is begrensd tot verzadigingsstroom IS (Si:
enkele nA, Ge: enkele A) Sperstroom is sterk
temperatuurafhankelijkZone 2: Te grote aangelegde spanning in
sperrichting Doorslag van de kristalstructuur => lawine-effect
Kleine verdere toename van sperspanning => zeer grote stromen
Als maximaal vermogen van de diode overschreden wordt =>
junctietemperatuur loopt te hoog op => kristal definitief
vernietigdZone 3: Diode is voorwaarts gepolariseerd Stroom volgt
exponentile kromme Voorwaarts aangelegde spanning benadert
diffusiespanning => merkelijke stroomZone 4: Curve loopt
tamelijk rechtlijnig omhoog, diode heeft lage weerstand Opletten
dat maximaal vermogen van de diode niet overschreden
wordtTemperatuurscofficint: temperatuur stijgt => weerstand
daalt => grotere stroom voor eenzelfde spanning (zowel in
doorlaat- als in sperrichting)
Gelijkstroomweerstand of statische weerstand:We plaatsen een
spanning UF over de diode, nu zal er een stroom IF gaan stromen.
Dan geldt:
Hierin is RS de statische weerstand of gelijkstroomweerstand.
Deze hangt af van de plaats op de karakteristiek waar gemeten wordt
(welke spanning er wordt aangelegd).De weerstand van een diode kan
dus niet worden gemeten met een ohmmeter!
Wisselstroomweerstand of dynamische weerstand:We plaatsen een
wisselspanningsbron in serie met de voorgaande bron, dan is de
dynamische weerstand of wisselstroomweerstand van de diode:
Vereenvoudigen van de karakteristieken:1. Ideale schakelaar
Voorwaarts aangelegde spanning => geen spanning over de diode
(UD = 0 V) Sperspanning => geen sperstroom (ID = 0 A)2.
Schakelaar met drempelspanning Voorwaarts aangelegde spanning =>
geleiding als aangelegde spanning gelijk aan of groter is dan
drempelspanning (UD = Udrempel) Sperspanning of voorwaartse
spanning lager dan drempelspanning => geen sperstroom (ID = 0
A)3. Schakelaar met drempelspanning en statische weerstand
Voorwaarts aangelegde spanning => geleiding als aangelegde
spanning gelijk aan of groter is dan drempelspanning, statische
weerstand in rekening gebracht Sperspanning of voorwaartse spanning
lager dan drempelspanning => geen sperstroom (ID = 0 A)
H2: Belastingslijnen
Instelpunt van de schakeling bepalen: Diodekarakteristiek
tekenen Belastingslijn tekenen (2 punten kiezen)
H3: Gelijkrichterschakelingen
Enkelzijdige gelijkrichter
Met weerstand:Met condensator:
Tijdens positieve alternantie: Diode geleidt Spanning over
weerstand = bronspanning spanningsval over diodeTijdens negatieve
alternantie: Diode spert, spanning over weerstand = 0 V Sperstroom
vloeit in diode
Tijdens positieve alternantie: Diode geleidt Condensator wordt
opgeladen tot bronspanning maximum bereikt Daarna kan condensator
niet meer ontladen, diode spert altijd (zowel tijdens positieve als
negatieve alternantie
Enkelzijdige gelijkrichter met afvlakcondensator
Tijdens positieve alternantie: condensator laadt op Tijdens
periode na de topwaarde van de positieve alternantie en tijdens
volledige negatieve alternantie ontlaadt condensator over weerstand
volgens exponentile kromme Verliezen: Spanningsval over de diode
Sperstroom in diode Lekstroom in condensatorGrootte van de
rimpelspanning: De condensator wordt opgeladen tot een spanning
Deze ontlaadt volgens de kromme: We stellen dat het tijdsinterval t
waarin de condensator ontlaadt gelijk is aan de periode T van de
bronspanning, de condensator ontlaadt dus tot De grootte van de
rimpel is dan:
Dubbelzijdige gelijkrichter met scheidingstransformator
Nut: ook gebruik maken van de negatieve alternantie (deze ging
verloren bij de enkelzijdige gelijkrichter).Tijdens positieve
alternantie:
D1 geleidt, D2 spert De spanning over de weerstand is naar boven
gericht, maar is maar half zo groot als de bronspanning Verliezen:
spanningsval over D1, sperstroom in D2, verliezen in transformator
(groot)Tijdens negatieve alternantie: D2 geleidt, D1 spert De
spanning over de weerstand is naar boven gericht, maar is maar half
zo groot als de bronspanning Verliezen: spanningsval over D2,
sperstroom in D1, verliezen in transformator (groot)
Dubbelzijdige gelijkrichter met brug
Tijdens positieve alternantie: D1 en D4 geleiden, D2 en D3
sperren De spanning over de weerstand is naar boven gericht en
gelijk aan de bronspanning Verliezen: spanningsval over D1 en D4,
sperstroom in D2 en D3Tijdens negatieve alternantie: D2 en D3
geleiden, D1 en D4 sperren De spanning over de weerstand is naar
boven gericht en gelijk aan de bronspanning Verliezen: spanningsval
over D2 en D3, sperstroom in D1 en D4
Spanningsverdubbeling, mogelijkheid 1
Tijdens positieve alternantie: D1 geleidt, D2 spert C1 wordt
opgeladen tot de bronspanning C1 ontlaadt niet meer want er is geen
weerstand in de kring Verliezen: spanningsval over D1, sperstroom
in D2, lekstroom in condensatorTijdens negatieve alternantie: D2
geleidt, D1 spert C2 wordt opgeladen tot de bronspanning C2
ontlaadt niet meer want er is geen weerstand in de kring Verliezen:
spanningsval over D2, sperstroom in D1, lekstroom in
condensator
Totaal: spanning over C1 en C2 samen = 2 keer de bronspanning
(verminderd met de verliezen)
Dubbelzijdige gelijkrichter (scheidingstransformator + brug) met
condensatorenTijdens positieve alternantie:
D1 en D4 geleiden, D2 en D3 sperren Condensatoren laden op tot
(groen) + (blauw) + (rood) = tweemaal de bronspanning Verliezen:
spanningsval over D1 en D4, sperstroom in D2 en D3, lekstroom in
condensatoren, verliezen in transformator
Tijdens negatieve alternantie: D2 en D3 geleiden, D1 en D4
sperren Condensatoren laden op tot (groen) + (blauw) + (rood) =
tweemaal de bronspanning Verliezen: spanningsval over D2 en D3,
sperstroom in D1 en D4, lekstroom in condensatoren, verliezen in
transformator
De middenaftakking is steeds een nulgeleider: de som van de
stromen (groen en blauw) in deze tak is steeds
0.Spanningsverdubbeling, mogelijkheid 2Tijdens negatieve
alternantie: D1 geleidt, D2 spert C1 wordt opgeladen tot de
bronspanning (ontlaadt niet meer) Verliezen: spanningsval over D1,
sperstroom door D2, lekstroom in condensatorTijdens positieve
alternantie: D2 geleidt, D1 spert C2 wordt opgeladen tot de
bronspanning + de spanning over C1 = tweemaal de bronspanning
Verliezen: spanningsval over D2, sperstroom in D1, lekstroom in
condensatoren (ontladen)
Spanningsvermenigvuldiger
Uitbreiding van de vorige schakeling: Tijdens eerste negatieve
alternantie geleidt D1 => C1 laadt op tot de bronspanning naar
rechts gericht (D3 geleidt ook waardoor C2 en C3 ook deels
opgeladen worden, maar deze worden later overschreven) Tijdens de
positieve alternantie geleidt D2 => C2 laadt op tot de
bronspanning + de spanning over C2 = tweemaal de bronspanning naar
rechts gericht (D4 geleidt ook waardoor C3 en C4 deels opgeladen
worden, maar deze worden later overschreven) Tijdens de volgende
negatieve alternantie geleidt D3 => C3 laadt op tot de
bronspanning + de spanning over C2 de spanning over C1 = tweemaal
de bronspanning naar rechts gericht (D1 geleidt ook => eventuele
ontlading van C1 wordt bijgetankt) Tijdens de volgende positieve
alternantie geleidt D4 => C4 laadt op tot de bronspanning + de
spanning over C1 + de spanning over C3 de spanning over C2 =
tweemaal de bronspanning naar rechts gericht (D2 geleidt ook =>
eventuele ontlading van C2 wordt bijgetankt) De spanning over C1 en
C3 samen is dus driemaal de bronspanning De spanning over C2 en C4
samen is dus viermaal de bronspanning Zo kan men de schakeling
verder naar rechts uitbreiden, bovenaan verkrijgt men oneven
veelvouden van de bronspanning, onderaan even veelvouden Verliezen
in rekening brengen: spanningsverliezen over de dioden als ze
geleiden, sperstromen in de dioden als ze sperren, lekstromen en
ontladingen van de condensatoren De spanning over de dioden is
telkens de bronspanning verschoven met de amplitudewaarde van de
bronspanning Eenmaal alle condensatoren opgeladen zijn, verbruikt
de schakeling geen stroom meer (behalve om condensatoren bij te
tanken)
H4: Zenerdioden
Diode in sper: sperspanning vergroten => veldsterkte over de
junctie wordt zodanig groot (ongeveer 200 kV/cm) => elektronen
worden uit hun covalente bindingen losgerukt => geleiding
vergroot zeer sterk => diode slaat doorIn dit doorslaggebied is
de diode praktisch niet bruikbaarZenerdiode = het
doorslagverschijnsel treedt op bij veel lagere sperspanningen (3 V
tot 220 V) => dynamische weerstand is zeer klein => wel
praktische rol
Hoe doorslagspanning verlagen? => halfgeleider meer
verontreinigen => sperzone versmallen => maximale
veldsterktegradint sneller bereikt => doorslagspanning
verlaagdEnkel Si wordt gebruikt voor zenerdioden (overgang tussen
sper- en doorslaggebied is veel scherper)
Zenereffect = aanbrengen van te grote potentiaal over de
sperzone => verbreken van de covalente bindingen =>
elektronen losgerukt => kunnen aan geleiding deelnemenHogere
temperatuur => meer vrije ladingsdragers => bij een lagere
sperspanning al doorslaan (NTC).
Lawine-effect = elektronen komen vrij => zodanig versneld
naar positieve spanningsklem => botsing met andere atomen =>
meer elektronen komen vrij => lawine van vrije elektronen =>
doorslagknik wordt veel scherperHogere temperatuur => vrije
weglengte alvorens elektronen botsen wordt kleiner => kinetische
energie van elektronen bij botsen is kleiner => minder
elektronen vrijgemaakt => om eenzelfde aantal elektronen los te
rukken moet een hogere spanning aangelegd worden (PTC).
Zenerdioden opdelen in 2 categorien:1. Zenerdioden met enkel
zenereffect (doorslagspanning tot ongeveer 5,6 V)2. Zenerdioden met
zener- en lawine-effect (doorslagspanning vanaf 6 V)
Symbool zenerdiode:Europees Amerikaans
Karakteristiek
In voorwaartse zin gepolariseerd: gedraagt zich als een gewone
diodeIn sperrichting gepolariseerd: hoofdzakelijk 3 gebieden:1.
Spergebied: Zenereffect treedt nog niet op Kleine sperstroom
aanwezig2. Kniezone: Verbreken van covalente bindingen begint3.
Doorslaggebied: Zener- (en eventueel lawine-) effect volop aan de
gang Verloopt nog steiler dan zone 4 bij gewone diode Opletten dat
Pmax niet overschreden wordt (kleine toename van UZ => grote
toename van IZ) (Pmax mag zeer kortstondig overschreden worden
=> gegevens fabrikant)
Zenerdiode meestal in sperzin gebruikt => soms assen van zin
veranderen => met positieve getalwaarden werken (IZ en UZ)De
zenerdiode werkt het best in het gebied Dynamische weerstand van
een zenerdiode:
Zenerdioden worden gefabriceerd in reeksen: bv. BZY88-reeks
(=> 400 mW) Bevat 24 dioden met zenerspanningen tussen 3,3V en
30V Bv. BZY88-C5V6 (C = tolerantie 5% (D = 10%), 5V6 =
zenerspanning 5,6 V bij 5 mA Zenerdioden met zenerspanning < 5,6
V hebben NTC, zenerdioden met zenerspanning > 6 V hebben PTC
Tusen deze twee gebieden in bevinden zich dioden met een zeer
kleine temperatuurscofficint: NTC van zenereffect en PTC van
lawine-effect heft elkaar op Door op gang komen van beide effecten
=> ruis (oplossen met condensator in parallel)
Onbelaste stabilisatieschakelingen
Zenerdiode => vaak gebruikt als stabiliserend element in een
schakeling.Hierbij staat er een spanning UZ over de diode en gaat
er een stroom IZ door de diode => we tekenen de
belastingslijn.
Laten we nu de bronspanning U variren met U, dan zal de spanning
over de diode (de uitgangsspanning) UZ veranderen met een veel
kleinere waarde, dankzij de zeer steile karakteristiek van de
zenerdiode.Deze verandering drukken we uit onder de vorm van de
stabiliteitsfactor F:
De stabiliteitsfactor F vertelt ons hoeveel maal de verandering
aan de ingang van de schakeling groter is dan de resulterende
verandering aan de uitgang van de schakeling.Voor een onbelaste
stabilisatieschakeling geldt dus:
RD is hier de dynamische weerstand van de zenerdiode. We
besluiten: Hoe groter R, hoe stabieler de uitgangsspanning (maar
hoe meer verlies, want R is geen nuttige verbruiker) Hoe kleiner
RD, hoe stabieler de uitgangsspanning
Belaste stabilisatieschakelingen
We zoeken van de volgende schakeling meteen het
Thevenin-equivalent: en
RD is de dynamische weerstand van de diode, R is de interne
weerstand van de schakeling, RL is de belasting.We besluiten: Hoe
groter R, hoe stabieler de uitgangsspanning (maar hoe meer verlies,
want R is geen nuttige verbruiker) Hoe kleiner RD, hoe stabieler de
uitgangsspanning Hoe kleiner RL, hoe stabieler de
uitgangsspanning
H5: Specifieke dioden
Soorten
LED (Light Emitting Diode) Straalt licht of warmte uit Lineair
verband tussen stroomsterkte I en lichtsterkte E (geen vervorming
van het signaal) Kleine stralingshoek Langere levensduur Compacte
bouw => schokbestendig Kan zeer hoge frequenties aan (GHz) =>
datacommunicatie (gewone lamp moet opwarmen) Golflengte van
uitgestraalde licht bepaalt kleur van de LED Sommige LEDs kunnen 2
(bicolor) of 3 (tricolor) kleuren uitstralen:LED-display Opgebouwd
uit meerdere LEDs 2 soorten: gemeenschappelijke anode of
gemeenschappelijke kathodeHalfgeleiderlaser Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation Speciaal type LED met oneindig
kleine stralingshoek Monochromatisch lichtFoto-gevoelige
elementen1. Zonnecel Opbouw: N-materiaal, daarop dun laagje
P-materiaal, daarop anti-reflectielaag en zilver-titaan
contactlaagje Niet in sper polariseren Licht valt in => energie
wordt overgedragen aan atomen => elektronen gaan van
valentieband naar geleidingsband => spanning over PN-overgang
neemt toe (grootte wordt bepaald door energie van het licht, niet
door oppervlak) Verband tussen afgegeven spanning en
verlichtingssterkte is logaritmisch Zonnecellen => serie of
parallel schakelen => zonnepaneel2. Fotodiode Altijd in sper
gepolariseerd => PN-junctie met sperzone ertussen => in feite
condensator Lichtinval => sperstroom vergroot Grotere
sperspanning => grotere sperzone => kleinere capaciteit ()
=> capaciteit moet klein zijn want diode moet snel kunnen
reageren op veranderingenFotokoppelingen (opto-coupler)
Samenstelling van LED en fotodiode, -transistor of thyristor
(lichtdichte behuizing) Stroom door LED => LED verlicht =>
fototransistor geleidt => signaal doorgegeven Signalen zijn
gescheiden Ongevoelig voor elektrische storing + licht verzwakt
nauwelijks => goed voor datacommunicatieCapaciteitsdiode
(varicap)PN-junctie met speciale verontreiniging
Hierbij wordt d bepaald door de aangelegde
sperspanning.Toepassing:
Antenne vangt signaal op Frequentie van schakeling moet geregeld
worden: Eerste manier: C is regelbare condensator Tweede manier: U
regelen => sperzone van varicaps regelen
H6: De bipolaire transistor
Afspraken: Bron nu verkort tekenen Gelijkspanning =>
Hoofdletter met hoofdletters in index, bv. Wisselspanning =>
Kleine letter met kleine letters in index, bv. Samenstelling
(wisselspanning met DC-offset) => hoofdletter met kleine letters
in index, bv. Eerste letter in index = letter waar pijlpunt naar
wijst Tweede letter in index = letter waar pijl vertrekt (geen 2de
letter? => vanaf massa)
Opbouw
Aaneenschakeling van 3 halfgeleiderzones => PNP- of
NPN-transistorPNP: pijl wijst naar paalNPN: not pointing
inTransistor is echter geen aaneenschakeling van 2 diodes!
Middenzone is zeer smal t.o.v. de buitenste gebieden Middenzone is
veel minder verontreinigd t.o.v. de andere zonesSchematische
voorstelling: de pijl duidt de stroomzin aan. In sommige databoeken
=> alle stromen naar transistor toe getekend => bij
NPN-transistor is de emitterstroom dan negatief, bij PNP-transistor
is basis- en collectorstroom negatief.Transistor = transfert +
resistor (transfert van weerstand: van kring met grote I (kleine R)
naar kring met kleine I (grote R).Pijl in emitter => wijst
altijd conventionele stroomzin van emitterstroom aan
Werking van de transistor
PNP-transistorB = basis = sturende klemC = collector =
verzamelaar van gatenE = emitter = uitsturen van gatenTransistor in
normale mode => BE-gebied in doorlaatrichting polariseren
(ongeveer 0,7 V), CB-gebied in sper polariseren. Gatenstroom van E
naar B => een klein deel van deze gaten recombineren met de
(schaars) aanwezige elektronen in B => er gaat een klein deel
van de emitterstroom naar de basis: Het grootste deel van stroomt
door naar C (wordt aangetrokken door aangelegde negatieve spanning
in C): We stellen nu dat met = gelijkstroomversterkingsfactor, dan
geldt:
NPN-transistorB, C en E blijven dezelfdeTransistor in normale
mode => BE-gebied in doorlaatrichting polariseren (ongeveer 0,7
V), CB-gebied in sper polariseren.Deze zijn nu dus omgekeerd
gepolariseerd als bij de PNP, omdat het P- en N-materiaal
omgewisseld is! Elektronenstroom van E naar B (gatenstroom in
omgekeerde richting) => een klein deel van deze elektronen
recombineren met de (schaars) aanwezige gaten in B => er komt
een klein deel van de emitterstroom uit de basis: Het grootste deel
van komt uit C (wordt aangetrokken door aangelegde negatieve
spanning in E): We stellen nu dat met =
gelijkstroomversterkingsfactor, dan geldt:
Basisconfiguraties van de transistor
GBS = gemeenschappelijke basisschakelingGCS = gemeenschappelijke
collectorschakelingGES = gemeenschappelijke emitterschakeling
Voor de NPN-transistor:
GBSGESGCS
Voor de PNP-transistor: GBSGESGCS
Naast de normale mode kunnen we de transistor nog op 3 andere
modes instellen: Inverse mode: emitter en collector van plaats
verwisseld (zelden gebruikt) Gesperde mode: beide diodes in
sperrichting gepolariseerd => de transistor werkt als een open
schakelaar Verzadigde mode: beide diodes in doorlaatrichting
gepolariseerd => de transistor werkt als een gesloten
schakelaar
Toepassing: gestabiliseerde voeding
R1 = R2 = R3 = 1 kOp de klemmen sluiten we een verbruiker aan.T1
en T2 zijn in normale mode gepolariseerd.T1 is een grote weerstand
=> we beschouwen deze als een open schakelaar =>
Stel dat de verbruiker groter wordt => daalt => daalt
=> daalt => daalt => daalt => daalt => daalt =>
daalt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt =>
stijgt => stijgt => spanning is geregeld
Stel dat de verbruiker kleiner wordt => stijgt => stijgt
=> stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt
=> stijgt => daalt => daalt => daalt => daalt =>
daalt => daalt => spanning is geregeld
Karakteristiek van de transistor
De volgende grafieken worden voorgesteld: Kwadrant 1: IC i.f.v.
UCE met IB als parameter => uitgangskarakteristiek. Geeft het
verband aan tussen de uitgangsspanning UCE en de uitgangsstroom IC:
in het begin hebben we een kniezone tot UCE enkele tienden van een
volt bedraagt, daarna verloopt de grafiek lineair.Belangrijk
wanneer transistor in verzadiging gezet wordt, levert parameter hoe
op. Kwadrant 2: IC i.f.v. IB met UCE als parameter =>
transfertkarakteristiek.Geeft het verband aan tussen de
ingangsstroom IB en de uitgangsstroom IC: voor
laagvermogentransistoren zeer rechtlijnige curve, voor
vermogentransistoren niet meer rechtlijnig. Als we de ingangsstroom
wijzigen, wijzigt de uitgangsstroom dus lineair mee =>
transistor is een stroomgestuurd element.Uit ieder punt kunnen we
hFE = gelijkstroomversterkingsfactor aflezen. De raaklijn in ieder
punt levert ons hfe = wisselstroomversterkingsfactor. Kwadrant 3:
UBE i.f.v. IB met UCE als parameter => ingangskarakteristiek.
Geeft het verband aan tussen de ingangsspanning UBE en de
ingangsstroom IB: dit is eigenlijk de karakteristiek van de diode
BE. Als we de ingangsspanning wijzigen, verandert de uitgangsstroom
niet lineair => transistor is geen goed spanningsgestuurd
element.Deze karakteristiek levert ons de parameter hie op.
Kwadrant 4: UBE i.f.v. UCE met IB als parameter =>
reactiekarakteristiek.Geeft het verband aan tussen de
ingangsspanning UBE en de uitgangsspanning UCE: er is praktisch
geen reactie van de ingangsspanning op wijzigingen van de
uitgangsspanning.Deze karakteristiek levert ons de parameter hre
op.
Instellingen van de transistor
Instelling met basisweerstand
en gegevenVergelijking van de belastingslijn:
Constructie van de belastingslijn in kwadrant 1: 2 punten: Stel
=> Stel => Algemene regel: => zo kunnen we de verandering
van de spanning in 2 richtingen (lager en hoger) het best
bekijken.
Meestal zal gegeven zijn. Hieruit vinden we ook , en .
=> Geen stabiele schakeling, want is sterk T-afhankelijk
=> grote invloed op spanningen en stromen=> AC-gedrag
bekijken: wisselstroomgenerator in serie met condensator (massa
=> basisklem transistor)=> Grote f en grote C => lage
impedantie voor AC, oneindige impedantie voor DC
(ontkoppelcondensator)
Instelling met een spanningsdeler
, en gegeven
Vuistregel: de stroom door moet minstens 10 maal groter zijn dan
.
=> Basis nu op vaste potentiaal (verhouding tussen en bepaalt
deze potentiaal)=> Voor en grote weerstanden kiezen (als ze te
klein zijn => opwarmen; als ze te groot zijn => te
klein)=> en zo kiezen dat => Als en niet in E12-reeks zijn
=> beiden in dezelfde richting afronden zodat verhouding niet te
veel verandert=> Nieuw instelpunt berekenen (terugrekenen met
E12-waarden)=> Nog steeds geen stabiele schakeling
Instelling met stroomtegenkoppeling
Gegeven: , , ,
We stellen: ( verwaarlozen)
=> Verwaarlozing van is niet erg omdat we toch afronden naar
E12-waarden (zelfde manier als hiervoor)=> Stel stijgt =>
stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => daalt =>
daalt => daalt => tegenkoppeling=> In de praktijk nemen
we
Instelling met spanningstegenkoppeling
Gegeven: , , ,
Stroom door is gelijk aan
=> Weer afronden naar E12-waarden en opnieuw berekenen=>
Stel stijgt => , stijgen => stijgt => daalt => daalt
=> , dalen => tegenkoppeling=> In praktische schakelingen:
stroom- en spanningstegenkoppeling in n schakeling
H7: De transistor als laagfrequent versterker
Schakeling voorstellen als black-box: We kiezen i1 en u2 als
onafhankelijke veranderlijken, i2 en u1 zijn de afhankelijke
veranderlijken De verbanden tussen deze veranderlijken kunnen we
als volgt schrijven:
Zo kunnen we de transistor voorstellen met het (vereenvoudigde)
hybride-model:Transistorh-modelvereenvoudigd h-modelDe gebruikte
parameters: = ingangsimpedantie, uitgedrukt in =
uitgangsadmittantie, uitgedrukt in S = wisselstroomversterking,
dimensieloos = terugwerking, dimensieloosDe parameters en zijn
meestal te verwaarlozen => vereenvoudigd h-model
AC-versterking
Instelling met basisweerstandSchakeling als volgt hertekenen: We
werken op AC met hoge f => condensatoren hebben een lage
impedantie => kortsluiten We zijn enkel genteresseerd in de AC
=> we negeren de DC-voeding We vervangen de transistor door zijn
vereenvoudigd h-model
SpanningsdelerSchakeling hertekenen:
SpanningstegenkoppelingSchakeling hertekenen:
StroomtegenkoppelingSchakeling hertekenen:
Stroomtegenkoppeling met condensator over RESchakeling
hertekenen:Het AC-equivalent is dezelfde schakeling als bij de
spanningsdeler. Dezelfde formules zijn dus geldig.
H8: Veldeffect-transistors
Soorten en symbolen
JFETMOSFET
VerarmingstypeVerrijkingstype
N-kanaal
P-kanaal
JFET (Juction Field Effect Transistor)Werking van een N-kanaal
JFET: Bestaat uit licht verontreinigd N-materiaal (kanaalzone) en
klein stuk sterk verontreinigd P-materiaal Drain positief
aansluiten t.o.v. source () Gate-source in sper polariseren ()
=> er ontstaat een spergebied in het N-materiaal (dit is een
zone waar geen ladingsdragers door kunnen) Sperspanning tussen gate
en drain is groter dan tussen gate en source => sperzone is
groter tussen gate en drain Breedte van het vrij blijvende gedeelte
wordt kleiner naarmate sperzone groter wordt ( sterker negatief) We
sturen de schakeling met de spanning Voordeel t.o.v. gewone
transistor: gatestroom = 0 A (bronstroom bij gewone transistor is
niet 0)
Werking van een P-kanaal JFET: Bestaat uit licht verontreinigd
P-materiaal (kanaalzone) en klein stuk sterk verontreinigd
N-materiaal Source positief aansluiten t.o.v. drain () Gate-source
in sper polariseren () => er ontstaat een spergebied in het
P-materiaal (dit is een zone waar geen ladingsdragers door kunnen)
Sperspanning tussen gate en drain is groter dan tussen gate en
source => sperzone is groter tussen gate en drain Breedte van
het vrij blijvende gedeelte wordt kleiner naarmate sperzone groter
wordt ( sterker positief) We sturen de schakeling met de spanning
Voordeel t.o.v. gewone transistor: gatestroom = 0 A (bronstroom bij
gewone transistor is niet 0)
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Werking van een N-kanaal MOSFET: Licht verontreinigd P-materiaal
(substraat) en 2 eilanden van sterk verontreinigd N-materiaal
Gescheiden door isolatielaag met daarop oxide (SiO2) => vormt
condensator (=> symbool) Drain positief aansluiten t.o.v. source
() Gate positief aansluiten t.o.v. source () Positieve spanning aan
gate trekt elektronen in P-materiaal naar gate => vormt N-zone
in het P-materiaal die verbinding (kanaal) vormt tussen N-eilanden
(enhancement => verrijkingstype) Er zal stroom van drain naar
source vloeien (want drain heeft hogere potentiaal) door dit kanaal
Grotere => breder kanaal => meer stroom => sturen met
spanning Soms ook al voorgegraven kanaal van N-materiaal (depletion
=> verarmingstype) => dan vloeit er al stroom van drain naar
source zonder dat er spanning aan de gate aangelegd wordt (spanning
aan gate verbreedt kanaal)Werking van een P-kanaal MOSFET: Licht
verontreinigd N-materiaal (substraat) en 2 eilanden van sterk
verontreinigd P-materiaal Gescheiden door isolatielaag met daarop
oxide (SiO2) => vormt condensator (=> symbool) Source
positief aansluiten t.o.v. drain () Source positief aansluiten
t.o.v. gate () Negatieve spanning aan gate trekt gaten in
N-materiaal naar gate => vormt P-zone in het N-materiaal die
verbinding (kanaal) vormt tussen P-eilanden (enhancement =>
verrijkingstype) Er zal stroom van source naar drain vloeien (want
source heeft hogere potentiaal) door dit kanaal Sterker negatieve
=> breder kanaal => meer stroom => sturen met spanning
Soms ook al voorgegraven kanaal van P-materiaal (depletion =>
verarmingstype) => dan vloeit er al stroom van source naar drain
zonder dat er spanning aan de gate aangelegd wordt (spanning aan
gate verbreedt kanaal)H9: De opamp
Opamp = operational amplifier (operationele versterker)2
ingangen, n uitgangGentegreerde component ( discrete component)-
ingang (inv. Input) => pootje 2+ ingang (non-inv. Input) =>
pootje 3Output => pootje 6V+ => pootje 7V- => pootje 4
Ideale opamp: Differentieelversterking Ingangsimpedantie
Bandbreedte Common mode versterking 0 Uitgangsimpedantie 0 Drift-
en offset-waarden 0
Specificaties van de opamp: Open loop voltage gain (open lus
versterking) = de verhouding tussen de uitgangsspanning en de
differentieel ingangsspanning. Open lus => geen terugkoppeling
van uitgang naar ingang => maximale versterking van de opamp.
Deze versterking is maximaal bij lage frequenties, neemt af met 20
dB per decade. Output resistance (uitgangsimpedantie) =
uitgangsimpedantie van de opamp in open loop schakeling (0)
Differential input resistance (ingangsimpedantie) =
ingangsimpedantie tussen de twee ingangsklemmen () Rated output =
maximaal vermogen dat geleverd kan worden Slewing rate = maximale
verandering van de uitgangsspanning per tijdseenheid, uitgedrukt in
V/s Settlingtime = tijd die verloopt tussen het aanleggen van een
stapfunctie aan de ingang van de opamp en het bekomen van de
gewenste uitgangsspanning (fout mag niet meer dan 0,1% bedragen).
Dit is dus de tijd die de opamp nodig heeft om te reageren op een
snel veranderende ingangsspanning
Door het niet ideaal zijn van de opamp ontstaan er enkele
foutspanningen op de uitgang: Input offset voltage = differentieel
DC-ingangsspanning nodig om de uitgang op 0 te krijgen Input bias
current = de stroom die nodig is in iedere ingangsklem om 0 V
uitgangsspanning te krijgen Input offset current = het verschil
tussen de twee respectievelijke ingangsstromen van beide
ingangen
Basisschakelingen met opamps
Open lus schakelingDe opamp versterkt het verschil tussen beide
ingangen oneindig maal (begrensd door de bron). Beide ingangen op
exact hetzelfde potentiaal => uitgangsspanning = 0 V Negatieve
alternantie => spanning is positiever aan min-klem =>
uitgangsspanning streeft naar negatieve voedingsspanning Positieve
alternantie => spanning is positiever aan plus-klem =>
uitgangsspanning streeft naar positieve voedingsspanningHet
uitgangssignaal wordt dus een blokgolf die varieert tussen de
negatieve en de positieve voedingsspanning.Het ingangssignaal is
dus vervormd. Omdat het ingangssignaal vaak informatie draagt en
deze informatie verloren gaat als het signaal vervormd wordt, wordt
deze schakeling zelden gebruikt.
De inverterende versterkerDe ingangsimpedantie is => de
ingangsstroom is 0 => De spanning tussen de ingangsklemmen moet
0 V zijn => => De min-klem van de opamp staat dus op
potentiaal 0 V => =>
De uitgangsspanning is niet in functie van => we hebben een
ideale bron.
De niet-inverterende versterkerDe ingangsimpedantie is => de
ingangsstroom is 0 => De spanning tussen de ingangsklemmen moet
0 V zijn => => De min-klem van de opamp staat dus op
potentiaal => =>
SpanningsvolgerDit is een bijzonder geval van de
niet-inverterende versterker waarbij . Er loopt dan ook geen stroom
meer door , het maakt dus niet uit welke waarde deze weerstand
heeft. We kiezen .
Passen we de formule van de niet-inverterende versterker toe,
dan bekomen we:
De uitgangsspanning volgt dus perfect de ingangsspanning =>
schakeling wordt gebruikt als buffer (scheiding).
Stroom-spanningsomzetting
Spannings-stroomomzettingSpanning tussen en +klem is 0 V =>
De stroom naar de klem is 0 A => Deze stroom kan echter niet te
groot zijn => oplossing: transistor bijplaatsen (B aan uitgang
opamp, E aan RL)=> Opamp moet slechts leveren, maar RL
krijgt
VerschilversterkerDoel: het verschil tussen twee ingangssignalen
versterken
We passen superpositie toe:1. Enkel : en hebben geen invloed (k
t.o.v. T van de opamp) => de schakeling is een inverterende
versterker
2. Enkel : en hangen beiden aan de massa en de +klem heeft
oneindige impedantie =>
3. Totaal:
Als en , dan wordt dit:
Als , dan wordt dit:
Een nadeel aan deze schakeling is het feit dat en belast worden.
Dit kan opgelost worden door spanningsvolgers voor en te
plaatsen.
IntegratorVoor de condensator geldt:
Maar voor de stroom geldt: , dus wordt dit:
In differentiaalvorm wordt dit:
Beide leden integreren:
Voor vinden we dan:
M.a.w. de uitgangsspanning vormt de integraal van de
ingangsspanning.Doel van de schakeling: plotse pieken in de
ingangsspanning regelen.
Toepassingen
Schmitt-triggerR is een potentiometer => we kunnen de
spanning die teruggekoppeld wordt naar de +klem regelen: In deze
schakeling kan maar 2 waarden aannemen: , dan is , dan is De
uitgangsspanning klapt om van V+ naar V- wanneer de ingangsspanning
gelijk is aan de afvalspanning De uitgangsspanning klapt om van V-
naar V+ wanneer de ingangsspanning gelijk is aan de
aanspreekspanning Het verschil tussen de afval- en
aanspreekspannning is de hysteresis:
Toepassing: thermostaat kom van temperatuursensor => als deze
onder een bepaalde waarde zakt => slaat aan geeft signaal voor
verwarmingselement => temperatuur zal terug stijgen => stijgt
opnieuw
Schmitt-trigger met DC-verschuivingDe afvalspanning is nu: De
aanspreekspanning is nu:Hieruit bekomen we voor en (met ):
Ideale enkelzijdige gelijkrichterPositieve alternantie => D
geleidt => de schakeling is een spanningsvolger: Negatieve
alternantie => D spert => Willen we een gelijkrichter op de
negatieve alternantie (positieve alternantie wordt 0 V) => diode
omdraaien.Toepassing: gelijkrichter voor kleine spanningen
(bruggelijkrichter => verliezen in diodes).
Ideale dubbelzijdige gelijkrichterWe nemen Positieve
alternantie: - en +klem van eerste opamp op zelfde potentiaal =>
Opamps hebben oneindige ingangsimpedantie en D2 spert => - en
+klem van tweede opamp op zelfde potentiaal => en stromen door
D1 naar V- van eerste opamp (D2 spert) Opamps hebben oneindige
ingangsimpedantie => komt van V+ van tweede opamp Negatieve
alternantie: - en +klem van eerste opamp op zelfde potentiaal =>
Omdat D1 spert en de en +klem van de tweede opamp op hetzelfde
potentiaal staan kunnen we zeggen dat tak ABE parallel met tak AFG
staat: en => en Hieruit volgt: en Opamps hebben oneindige
ingangsimpedantie => komt van V+ van eerste opamp, door D2
Opamps hebben oneindige ingangsimpedantie => komt van V+ van
tweede opamp
H10: Vermogenhalfgeleiders
Functie: schakelaar => beter dan regelbare weerstand
(verlies) Unidirectioneel: thyristor, MOSFET, GTO Directioneel:
diac, triac
De thyristorOpbouw: vierlagenstructuur van halfgeleidermateriaal
(PNPN) => in feite combinatie van NPN en PNP-transistorDrie
aansluitingen: anode, kathode en gate.De thyristor geleidt pas als
er aan twee voorwaarden is voldaan: Anode op hogere potentiaal dan
kathode () Ontsteking vereist: spanning op gate t.o.v. kathode
(gestuurde diode)Spanning tussen anode en kathode = 220 V, spanning
tussen gate en kathode = 5/12 V => als thyristor defect is staat
er 220 V op het ingangssignaal van de gate => elektronica
hierachter is stukOplossing: elektrische scheiding (transformator
of opto-coupler)De gebruikte transformator is een pulstransformator
(signaal op gate is single shot => 1 puls) Zeer klein Kern =
lucht => zeer licht Puls wordt niet volledig omgezet => enkel
hoge frequenties (gaan door lucht) Flank van blokgolf bevat alle
frequenties => ook hoge => spike => voldoende om thyristor
te ontsteken
Ontsteken van een thyristor Spanning => PN en PN in
geleiding, NP in sper => geblokkeerde toestand Spanning
vergroten => op bepaald punt zal thyristo beginnen geleiden =
> geleidende toestand Er is dan ook => als thyristor geleidt
heeft deze de latching current of vergrendelstroom bereikt Nu mag
de spanning en stroom afnemen => thyristor blijft geleiden Als
stroom zakt onder holding current of houdstroom => thyristor
dooft Ontsteken kan sneller gebeuren als er een gatestroom wordt
toegevoegd Ontsteking kan ook door temperatuurstijging Ontsteking
kan ook door Rate-effect (steile flank van aangelegde kan gezien
worden als gatestroom) Ontsteking kan ook door lichtinval
(fotothyristor)
Doven van een thyristor Zorgen dat => PN en PN sperren =>
Thyristor kortsluiten => stroom door thyristor daalt tot onder
Doofschakeling: TH1 is hoofdthyristor, TH2 is doofthyristor TH1
geleidt, TH2 is gedoofd, stroom gaat door R en RL => laadt C op
(+ is rechts), dan door TH1 Puls op TH2 => ontsteekt => C
staat nu parallel met TH, met + van C aan van TH1 Spanning aan van
TH1 nu hoger dan + => TH1 dooft Nu gaat stroom door R en RL
=> laadt C omgekeerd op (+ is links), dan door TH2 Eenmaal C is
opgeladen => stroom door RL wordt 0 A Stroom door R niet te
groot () => TH2 dooft ook Nu ontlaadt C over R en RL
Bij gatespanning opletten voor Pmax! => kijken naar duty
cycle:
=> Pmax overschreden => te klein