Struktura

Základní parametry bipolárních tranzistorů

Čtyřpólové parametry tranzistoru pro malé signály     

Nejjednodušší model tranzistoru je dán vztahem iC = β . iB, podrobnější model je popsán rovnicí

                  IC = f(iB; uCE)  

Vlastnosti obecného lineárního dvojbranu je možné popsat dvojicí charakteristických vlastností, které vyjadřují vzájemné vztahy mezi vstupními a výstupními veličinami. První z rovnic se vztahuje ke vstupu dvojbranu, druhá rovnice se vztahuje k výstupu dvojhranu. Vstup a výstup je nahrazován zapojením podle Théveninova nebo Nortonova teorému.

 

Hodnota parametrů tranzistoru závisí na:

  • základním zapojení: SB, SE, SC;
  • poloze klidového pracovního bodu;
  • kmitočtu přenášeného signálu;
  • teplotě tranzistoru – běžně jsou měřeny při teplotě   ϑ= 25 ℃.       

 

Model bipolárního tranzistoru pomocí hybridních parametrů

Pro popis bipolárního tranzistoru jsou v oblasti nízkých kmitočtů nejčastěji používány tzv. hybridní parametry. Při jejich použití je vstup tranzistoru modelován zapojením pomocí Théveninovy poučky a výstup pomocí Nortonovy poučky. 


Obr. 1: Model bipolárního tranzistoru pomocí h-parametrů                    

Proto vyjádříme vstupní rovnici jakou součet napětí, výstupní jako součet proudů:

                   UBE = h11 . IB + h12 . UCE

                   IC = h21 . IB + h22 . UCE

Jak již víme, může být tranzistor zapojen se společnou bází, se společným kolektorem a se společným emitorem. Pro zapojení se společným kolektorem a se společným emitorem používáme stejné parametry – parametry odvozené pro zapojení se společným emitorem.

 

Výrobci tranzistorů měří dva typy parametrů:

  • stejnosměrné;
  • střídavé (nízkofrekvenční, vysokofrekvenční).

Index  u parametrů je používán u zapojení tranzistoru se společným emitorem;

Index B   u parametrů zapojení tranzistoru se společnou bází.

 

Abychom rozlišili, zda se jedná o stejnosměrné či střídavé parametry, budeme v dalším textu používat písmena malé abecedy pro index střídavých parametrů (např. h21e), pro index stejnosměrných parametrů písmena velké abecedy (např. h21E). Stejnosměrné parametry popisují vlastnosti tranzistoru v určitém pracovním bodu , není-li přiváděn signál, vyjadřují závislosti stejnosměrných (napájecích) proudů a napětí tranzistoru.

Střídavé parametry (dynamické) se vztahují ke střídavému signálu přivedenému na vstup daného zapojení tranzistoru. Přivedený signál má tak malou úroveň, aby jeho další zmenšování již nemělo vliv na velikost naměřeného parametru. Hodnoty, uvedené v katalozích firem, jsou vztaženy k určitému kmitočtu, např. 1 kHz.

Ve vztazích pro určení jednotlivých parametrů jsou velkými písmeny U a I označována stejnosměrná napětí a proudy, výrazy Δu a Δi označují velikosti napětí a proudů signálu.

Model tranzistoru pomocí hybridních parametrů

Definice h11

Střídavý parametr - označme velikosti střídavého napětí a proudu vstupního signálu Δu1 a Δi1, potom:                 

    h_{11}=\frac{\Delta u_{1}}{\Delta i_{1}}  ( U2 = konst., Δu2 = 0)        vstupní odpor, zátěž nakrátko

 

Stejnosměrný parametr - označme velikost vstupního stejnosměrného proudu I1 a napětí U1, potom:

h_{11}=\frac{u_{1}}{i_{1}}    (U2 = 0 [Ω])           vstupní odpor, výstup nakrátko

Definice h12

Střídavý parametr  h_{21}=\frac{\Delta u_{1}}{\Delta u_{2}}      ( I1 = konst.)        zpětný napěťový činitel

 

Stejnosměrný parametr  h_{12}=\frac{u_{1}}{u_{2}}    (I1 = 0)                 stejnosměrný zpětný napěťový činitel       

Tento parametr charakterizuje velikost zpětného ovlivňování vstupu tranzistoru velikostí výstupního napětí.

Definice h21

Je to nejdůležitější parametr tranzistoru, má význam proudového zesilovacího činitele:

Střídavý parametr:

h_{21}=\frac{\Delta i_{2}}{\Delta i_{1}}        ( U1 = konst., Δu2 = 0 )  proudový zesilovací činitel, zátěž nakrátko

Stejnosměrný parametr  h_{21}=\frac{i_{2}}{i_{1}}    (U2 = 0)   proudový zesilovací činitel nakrátko           

Definice h22

Střídavý parametr h_{22}=\frac{\Delta i_{2}}{\Delta u_{2}}    ( I1 = konst., Δi1 = 0 ) 〔S〕 výstupní vodivost  

Stejnosměrný parametr h_{22}=\frac{I_{2}}{U_{2}}   (I1 = 0)  〔S〕    výstupní vodivost naprázdno

Obecně jsou h parametry tranzistoru komplexní veličiny obsahující rezistory a kondenzátory. Vlivem parazitních kapacit je omezen rozsah kmitočtů, ve kterých je tranzistor aktivním prvkem (každý PN přechod je zároveň kondenzátorem).

 

Model tranzistoru pomocí admitančních parametrů

            Kromě hybridních parametrů je model tranzistoru znázorňován též pomocí admitančních parametrů. Při jejich použití je vstup i výstup tranzistoru modelován pomocí Nortonovy poučky. Model tranzistoru v zapojení SE je znázorněn na obrázku 2.

 Proto vyjádříme vstupní i výstupní parametry v zapojení SE jako součet proudů:

IB = y11 . UBE + y12 . UCE

Ic = y21 . UBE + y22 . UCE, v maticovém tvaru

Obr. 2: Model tranzistrou pomocí admitančních parametrů


Dále budeme definovat pouze střídavé parametry

y_{11e}=\frac{\Delta i_{B}}{\Delta u_{BE}}     (UCE = konst., ΔuCE=0)   vstupní vodivost tranzistoru, zátěž je zkratována

y_{12e}=\frac{\Delta i_{B}}{\Delta u_{CE}}    (UBE = konst., ΔuBE=0)     zpětná vodivost, zdroj signálu zkratován

y_{21}=\frac{\Delta i_{C}}{\Delta u_{BE}}     (UCE = konst., ΔuCE=0)     přenosová vodivost, zátěž kratována (to je údaj, který

                                                                 říká, jak se změní kolektorový proud, když změníme 

                                                                 napětí mezi bází a emitorem, což je strmost převodní                

                                                                 charakteristiky tranzistoru)

y_{22}=\frac{\Delta i_{C}}{\Delta u_{CE}}     (UB1 = konst., ΔuBE=0)    výstupní vodivost tranzistoru, zdroj signálu je          

                                                                  zkratován

Přepočet hybridních parametrů na admitanční a naopak se řídí následujícími vztahy:

y_{11}=\frac{1}{h_{11}}     h_{11}=\frac{1}{y_{11}}

y_{12}=\frac{-h_{12}}{h_{11}}     h_{12}=\frac{y_{12}}{y_{11}}

y_{21}=\frac{h_{21}}{h_{11}}     h_{21}=\frac{y_{21}}{y_{11}}      Dy = y11 . y22 – y12 . y21

y_{22}=\frac{D_{h}}{h_{11}}     h_{22}=\frac{D_{y}}{y_{11}}     Dh = h11 . h22 – h12 . h21

 

Teplotní závislost parametrů bipolárních tranzistorů        

Vzhledem ke značné teplotní závislosti tranzistorů je nutné je pokládat také za prvky řízené teplotou. Vliv teploty na průběh jejich charakteristik a změny parametrů je poměrně velký. Z hlediska použití tranzistorů nás nejvíce zajímají teplotní změny kolektorového proudu.

 

Vliv teploty na kolektorový proud Ic  křemíkových tranzistorů

Změna kolektorového proudu je výsledným produktem teplotní závislosti hlavně těchto veličin:

  • zbytkového proudu kolektor-báze ICB0 a tedy i ICE0. Zbytkový proud se při změně teploty o 10 ℃ přibližně zdvojnásobí. To se projeví na změně velikosti kolektorového proudu;
  • stejnosměrného proudového zesilovacího činitele h21E;   
  • napětí báze-emitor UBE potřebného pro nastavení proudu kolektoru → při konstantním proudu emitoru a nepříliš velkých změnách teploty se napětí na emitorovém přechodu mění o  -(2 až 3) mV/℃.

 

Pro křemíkové tranzistory je rozhodující teplotní změna napětí na přechodu báze-emitor (UBE). Zbytkové proudy jsou řádově nA a většinou se jejich vliv téměř neuplatní.

 

Nejhůře z běžných polovodivých materiálů je na tom germanium. Teplotní závislost je u germaniových tranzistorů tak velká, že může zbytkový proud ICE0 dosáhnout při vyšších teplotách velikosti řádově μA a jeho vliv může začít převažovat. Zatímco u křemíkových tranzistorů vliv ICE0 většinou zanedbáváme, u germaniových tranzistorů ICE0 zanedbat nelze.

Teplota přechodů tranzistoru je ovlivňována:

  • teplotou prostředí;
  • kolektorovou ztrátou;
  • účinností chlazení tranzistoru.

 

Kolektorová ztráta Pc:

Při provozu tranzistoru protéká emitorovým i kolektorovým přechodem přibližně stejný proud 

                                      (IE = IC + IB ≅ IC)

Na závěrně polarizovaném kolektorovém přechodu je mnohem větší úbytek napětí než na propustně polarizovaném emitorovém přechodu. Proto je při stejné velikosti protékajícího proudu vznik tepla na kolektorovém přechodu mnohem větší.

K celkovému oteplení tranzistoru tedy přispívá rozhodující měrou vývin tepla na kolektoru. Jeho velikost udává tzv. kolektorová ztráta, která má označení Pc. Hodnotu kolektorové ztráty určíme součinem

                                       Pc = UCE . IC

PCmax je mezní přípustný ztrátový výkon tranzistoru při referenční teplotě pouzdra.

Teplotní odolnost tranzistoru můžeme zlepšit pomocí účinného chlazení.

Je-li tranzistor opatřen chladičem, je odpovídajícím způsobem zvýšena jeho přípustná kolektorová ztráta. Účinnost chlazení závisí na:

  • způsobu upevnění tranzistoru k chladiči;
  • na přítlačné síle, kterou je tranzistor přitlačen k chladiči;
  • na opracování povrchů chladiče a tranzistoru, na rovinnosti dosedajících ploch;
  • na použitých prostředcích pro zlepšení teplotního styku mezi tranzistorem a chladičem (např. silikonová vazelína apod.);
  • na umístění chlazeného tranzistoru v zařízení (zda je umístěn v místě, kde dochází k hromadění tepla, nebo kde naopak je chladný vzduch, případně zda neofukujeme chladič tranzistoru nuceně ventilátorem apod.).

Všechny výše uvedené závislosti mají vliv na stabilitu nastavení pracovního bodu. K nim je nutné připočítat změny vlivem stárnutí, rozptylu parametrů tranzistorů, změny napájecího napětí apod.

 

Důležité mezní parametry bipolárních tranzistorů

            Mezní parametry tranzistorů patří mezi nejdůležitější údaj uváděné výrobcem tranzistoru, protože na jejich respektování závisí spolehlivost zařízení, ve kterém tranzistory pracují.

Pracovní oblast tranzistorů je omezena mezními parametry, při jejichž překročení hrozí nebezpečí zničení tranzistoru. K těmto parametrům patří zejména:

  • maximální kolektorová ztráta PCmax - je určena nejvyšší povolenou teplotou kolektorového přechodu. Oblast, ve které je překročena maximální povolená kolektorová ztráta, je dána hyperbolou dle vztahu

                  PZ = UBE . IB + UCB . IC ≅ UCE . IC = PC

 

  • maximální kolektorový proud ICmax - je určen konstrukcí tranzistoru. Podobně jako při překročení maximální kolektorové ztráty, může dojít při překročení ICmax k přehřátí kolektorového přechodu tranzistoru;
  • mezní napětí kolektor-emitor UCEmax - je napětí mezi kolektorem a emitorem při rozpojeném obvodu báze. Při překročení tohoto mezního napětí může dojít k napěťovému průrazu a ke zničení přechodu kolektor-báze. Je-li kolektorový proud omezen odporem dostatečné velikosti, je tento průraz nedestruktivní - používá se pro jeho měření.
  • maximální proud báze IBmax - jeho velikost je určena konstrukcí tranzistoru, u výkonových tranzistorů je větší než u tranzistorů malého výkonu;
  • mezní napětí emitor-báze UEB0 - je to mezní napětí závěrně polarizovaného přechodu mezi emitorem a bází. Toto mezní napětí má velikost řádově jednotky voltů (např.5V).  Je-li závěrný proud báze omezen odporem dostatečné velikosti, je průraz závěrně polarizovaného přechodu emitor-báze nedestruktivní.

Zdroje

  • KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

  • Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Model bipolárního tranzistoru pomocí h-parametrů, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Model tranzistrou pomocí admitančních parametrů, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Logolink