Úloha 8

q Spínač s tranzistorom

Cieľ úlohy je experientálne overenie vlastností spínacích a obmedzovacích vlastností tranzistora, v zapojení so spoločným emitorom, pri zosilňovaní signálu s veľkou amplitúdou.

q Tranzistor pri veľkom signále a v podmienkach saturácie

Pri použití malej amplitúdy signálu (s pracovným bodom tranzistoru v aktívnej oblasti, napr. s niekde v strednej časti, vytýčenej zaťažovacou priamkou na obr. 6aa) platí pomerne dobre linárny vzťah medzi vstupnou a výstupnou ampltitúdou signálu. Obrázok 6aa ilustruje zložitejšiu situáciu, ktorá môže nastať pri použití veľkých amplitúd impulzov - a to existenciu:

• nevodivého stavu, keď je tranzistorový spínač rozopnutý a na ňom pôsobí veľké napätie U_CE~U_cc a keď cez tranzistor preteká zanedbateľne malý prúd;
• stavu, keď je tranzistorový spínač zopnutý, cez tranzistor preteká veľký prúd (I_CM~|U_cc-U_CES|/R_C~ |U_cc|/R_C prakticky limitovaný len odporom R_C) a na kolektore tranzistora zostáva veľmi malé zvyškové napätie saturovaného stavu tranzistora (U_CE~U_CES). Pri nasýtení sa už nezvyšuje ďalej kolektorový prúd I_C a v báze sa hromadia dodatočné nosiče náboja čo spôsobuje, že operačná rýchlosť tranzistora je nižšia ako v aktívnom stave pri malom signále.

Rovnaká príčina, ktorá limituje zosilňovanie vysokých frekvencii v lineárnom zosilňovači (existencia kapacity Cm medzi kolektorom a bázou tranzistora, ktorá na základe spätnej väzby, nazývajej Millerovým javom, a kapacity záťaže C_L v kombinácii s konečným odporom zdroja signálu a zaťažovacieho odporu) má za následok ohraničenie spínacej rýchlosti spínacích obvodov. Obrázok 6a znázorňuje saturovaný  tranzistorový spínač (v pokojovom stave tečie cez tranzistor prúd určený prakticky len odporom R_C),v ktorom tranzistor, zapojený ako invertor,  je ovládaný impulzmi s extrémne rýchlym nárastom t_c a extrémne rýchlym spádom t_t impulzu.

Obrázok 6b. znázorňuje typický tvar impulzu na výstupe tranzistora z obrázku 6a, ovládaného vstupným impulzom z nasýteného stavu do aktívneho stavu, resp. pri väčšej amplitúde až do nevodivého stavu. Rýchlosť zmeny výstupnej amplitúdy určuje časová konštanta R_CC_L spolu s časovou konštantou C_cb(R_S+r_b), reprezentujúcou rýchlosť tranzistora (teda predovšetkým vplyv kapacity C_m=C_cb). Čelo výstupného impulzu t_c je charakterizované nárastom amplitúdy z 10% na 90% konečnej hodnoty. Obdobne je definované tylo výstupného impulzu t_t. Za pozornosť stojí relatívne dlhá doba zotavenia t_s, ktorá je potrebná na uvedenie tranzistora zo saturovaného stavu (v porovnaní s oneskorením t_d, počas ktorého sa dostane tranzistor z nevodivého stavu). Pri nasýtenom stave tranzistora sa totiž nahromadí v oblasti bázy náboj, na rozptýlenie ktorého po zmene vstupného impulzu je potrebný čas, závisiaci na rýchlosti nosičov náboja v obvode bázy tranzistora. V logických obvodoch sa na charakterizovanie rýchlosti spínača používa prenosové oneskorenie t_PLHa t_PHL, určené intervalom za ktorý prejde vstupná úroveň cez logický prah (LH alebo HL)
 

Obr. 6b Tvar impulzu na výstupe NPN tranzistora ovládaného záporným vstupným impulzom z nasýteného stavu do aktívneho stavu, resp. pri väčšej vstupnej amplitúde až do nevodivého stavu

 

Obr. 6c.  A ) Princíp zabraňujúci uvedeniu tranzistora do nasýteného stavu pomocou spätnoväzobnej diódy, B) Princíp zrýchlenia činnosti tranzistorového spínača pomocou obvodu s urýchľujúcim kondenzátorom Cu (25-100pF).

Obrázok 6c ilustruje dva spôsoby ako zabrániť hromadeniu prebytočného náboja v oblasti bázy pri použití vyššej vstupnej amplitúdy impulzu, teda princíp:

1. zabraňujúci uvedeniu tranzistora do nasýteného stavu pomocou spätnoväzobnej diódy, ktorý sa používa v Schottkyho rodine TTL integrovaných obvodov. Dióda medzi bázou a kolektorom pri uvedení tranzistora do stavu blízkeho saturácii odvedie časť prúdu z bázy takže napätie na kolektore nepoklesne do saturovaného stavu. Podmienkou úspešnej funkcie diódy je aby úbytok napätia na vodivo polarizovanej dióde bol menší ako napätie medzi kolektorom a bázou v blízkosti saturovaného stavu tranzistora.

 
2. zrýchlenia činnosti tranzistorového spínača pomocou obvodu s urýchľujúcim kondenzátorom C_u.

u Zapojenie meraného prípravku s tranzistorovým spínačom

V praktickej časti sa pokúsime pomocou prípravku (obr. 6d) najprv zistiť spínacie kvality tranzistora v zapojení so spoločným emitorom a potom postupne oskúšať obidva spôsoby zlepšenia funkcie spínača, uvedené na obr 6c.
 

Obr. 6d. Zapojenie meraného prípravku na sledovanie spínacich vlastností tranzistora, ktorá umožňuje oskúšať obe možnosti zlepšenia funkcie spínača, ilustrované na obr. 6c.  Bližšia špecifikácia hodnôt súčiastok je uvedená v jednotlivých modifikáciach zapojenia (v ktorých je zakreslená vždy len jedna z možností - buď vetva s prepínačom u1 alebo vetva s prepínačom u2). Na rozdiel od obr. 6a v tomto zapojení je použitý PNP tranzistor, takže pri použití rovnakej polarity vstupného impulzu ako na obr. 6b a obr. 6c bude sa doba zotavenia ts prejavovať spolu s tylom impulzu tt a nie pri náraste amplitúdy tak ako je zobrazené na obr. 6b.

Obrázok 7 znázorňuje zapojenie, umožňujúce overiť spínacie vlastností tranzistora, zapojeného ako invertor so spoločným emitorom. Obrázok 7a ilustruje typický tvar výstupného impulzu, ktorý možno dosiahnuť pomocou vstupnej amplitúdy U₁, ktorá je schopná uviesť tranzistor z nevodivého stavu s kolektorovým napätím U_C~U_cc (ktorý je zabezpečený pomocou malého predpätím U_B~0,1V v obvode bázy) do aktívneho stavu (U_C>=U_CES). Pritom amplitúda impulzu U₁ je malá, takže k presýteniu v obvode bázy nedochádza. Spínacie vlastnosti tranzistora charakterizuje pomerne dlhé trvanie čela a trvanie tyla výstupného impulzu, prakticky bez doby zotavenia. (Zreteľnejšie to vidno pri dlhšom trvaní vstupného impulzu na obrázku 9a).
 
 

Obr. 7. Zapojenie tranzistora vo funkcii spínača, budeného vstupnou amplitúdou impulzu U1 z generátora. (Z pôvodného zapojenia prípravku je na obrázku znázornená len vetva s prepínačom u2.) Na obrázku nie je zakreslená parazitná kapacita montáže a záťaže osciloskopu CL= 500pF (obr.9), ktorá sa zúčastňuje tiež na tvarovaní impulzu v obr. 7a.

 

Obr. 7a. Vstupný impulz  má amplitúdu U1=1V, ktorá je schopná na výstupe uviesť spínací tranzistor z nevodivého stavu UC~Ucc (ktorý je zabezpečený pomocou malého predpätia UB~0,1V v obvode bázy) do aktívneho stavu (UC >= UCES). Amplitúda vstupného impulzu na báze  tranzistora Ub  je prakticky rovnaká ako z generátora U1, nakoľko použitý odpor R0 je malý. Trvanie čela a trvanie tyla výstupného impulzu, ktoré charaketizujú rýchlosť zopnutia tranzistorového spínača, závisiace preovšetkým od operačnej rýchlosti tranzistora sú však pomerne dlhé. U(In) - vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup.

V snahe o dosiahnutie krátšieho zopnutia tranzistorového spínača je použitá v zapojení na obr.8 omnoho väčšia amplitúda vstupného impulzu U₁ z generátora ako v predošlom prípade na obr.7. Pri vyšššej amplitúde U₁ dochádza k tzv. presýtenu vstupu tranzistorového obvodu, nakoľko amplitúda saturovaného bázového prúdu I_BS >I_B, je väčšia ako amplitúda bázového prúdu I_B~I_C/b_F (v aktívnom stave tranzistora), ktorá je potrebná na dosiahnutie maximálnej hodnoty kolektorového prúdu pre dané zapojenie I_CM~|U_cc-U_CES|/R_C~|U_cc|/R_C.

Stupeň presýtenia s= b_FI_BS/I_CM charakterizuje množstvo prebytočného náboja v báze, ktoré  pri otváraní spínača (s tranzistorom, ktorého vlastnosti charakterizuje hraničná frekvencia f_b=1/2pt_B, resp. časová konštanta t_B) sa priaznivo spolupodieľa na skrátení čela výstupného impulzu t_c~t_B/s, ale na druhej strane sa nepriaznivo prejaví na predĺžení trvania výstupného impulzu o dobu zotavenia t_s~t_Bln(2s/(1+s)).

Doba zotavenia t_s je tým kratšia, čím je menší stupeň presýtenia tranzistora s. Na druhej strane pre rýchle zopnutie spínača s nie príliš vysokou operačnou rýchlosťou je potrebné zase zväčšiť stupeň presýtenia s. Požiadavky na zrýchlenie spínača týmto spôsobom sú teda protichodné.
 

Obr. 7b. Vstupný impulz  má amplitúdu U1=2V   a vďaka tejto veľkej budiacej amplitúde impulzu sa skrátilo trvanie čela výstupného  impulzu, ovšem na úkor predĺženia trvania impulzu o tzv. dobu zotavenia ts, za ktorú sa stihol rozptýliť prebytočný náboj z bázy tranzistora. Trvanie tyla impulzu závisí predovšetkým od časovej konštanty tL~CLRC. [U(In) - Vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup.

V integrovaných logických obvodoch sa zabraňuje hlbokému nasýteniu tranzistora pri veľkej amplitúde vstupného signálu pomocou nelineárnej spätnej väzby, uskutočnenej cez diódu D₁ (často typu tzv. Schottkyho diódy, tvorenej PN prechodom kov-polovodič), zapojenú medzi kolektor a bázu tranzistora (obr. 8). Pri nevodivom stave tranzistora sa vplyv diódy prakticky neprejaví. Pri otvorení tranzistora zabraňuje dióda D₁ nasýteniu tranzistora, nakoľko sa stane skôr vodivá než by malo dôjsť k presýteniu tranzistora.
 

Obr. 8. Úprava zapojenia z obr. 7 pomocou zavedenia nelineárnej spätnej väzby cez diódu D1 (zapojenej medzi kolektor a bázu tranzistora), vďaka ktorej nedôjde k nasýteniu tranzistora, nakoľko pri poklese napätia na kolektore na úroveň saturačného napätia UCES sa dióda D1 stane vodivou a záporná spätná väzba z kolektora na bázu bude brániť ďalšiemu zvyšovaniu prúdu bázy a tým aj hromadeniu prebytočného náboja v oblasti bázy.

Obr. 8a. Vstupný impulz v zapojení na obr. 8 má rovnakú amplitúdu U1=2V ale vďaka dióde D1 sa aj pri veľkej budiacej amplitúde impulzu nepredĺžilo trvania impulzu o dobu zotavenia ts. Trvanie tyla impulzu rovnako ako bez diódy závisí predovšetkým od časovej konštanty tL~CLRC.  U(In) - Vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup

Zhodnotenie:

Cieľom tejto úlohy praktika je ohodnotiť reálne spínacie schopnosti použitého tranzistora v zapojení so spoločným emitorom, prakticky si overiť, že pomocou zapojenia diódy D₁ medzi kolektor a bázu tranzistora možno zabrániť presýteniu oblasti bázy tranzistora a tým minimalizovať dobu zotavenia t_s v tranzistorovom spínači. Čo myslíte pre uvedený účel bude lepšia rovnako rýchla dióda, zhotovená z germania alebo z kremíka? Na základe porovnania impulzov ohodnodte tiež stupeň presýtenia s = t_ca /(2,2t_cas) pri danom meraní.

V základnom zapojení na obrázku 9, v ktorom sa dosahuje tvar výstupného impulzu podľa obr. 9a je na obrázku 10 dodaný tzv. urýchľujúci kondenzátor C_u = C₂ , zapojený paralelne s odporom R₀. Vďaka urýchľujúcemu kondenzátoru sa v okamihu skokovej zmeny vstupného impulzu prenesie do bázy podstatne väčší náboj, než by sa tam dostal len prietokom prúdu cez paralelný odpor R₀. Urýchli sa tým difúzia náboja v báze, takže čelo impulzu sa skráti, podobne ako pri dodaní veľkeho náboja pri presýtení bázy veľkou amplitúdou impulzu. Injekcia náboja má časove obmedzené trvanie, takže vhodnou voľbou kapacity urýchľujúceho kondenzátora C_u možno bez toho, aby sa v báze trvalo nahromadil náboj, dodať len akurát potrebné množstvo náboja na úrýchlenie difúzie náboja a tak dosiahnuť zrýchlenie skokovej zmeny na výstupe.

Obrázok 10a ilustruje čiastočné zlepšenie tvaru impulzu, ale zrejme kapacita urýchľujúceho kondenzátora C_u bola zvolená príliš malá. Kapacita urýchľujúceho kondenzátora C_u na obr. 10c je väčšia ako optimálna kapacita na dosiahnutie tvaru výstupného impulzu blízkeho tvaru vstupného impulzu. Obrázok 10b je zrejme blízky k optimálnej hodnote urýchľujúceho kondenzátora C_u. 
 

Obr. 9. Zapojenie tranzistora (okrem zväčšenej hodnoty odporu R=R1+R0=4,6kW rovnaké ako na obr. 7), vo funkcii spínača budeného vstupnou amplitúdou impulzu U1=1,5V z generátora. (Z pôvodného zapojenia prípravkuje na obrázku znázornená len vetva s prepínačom u1.) Nevodivý stav tranzistora UC~Ucc je zabezpečený pomocou malého predpätia UB~0,1V v obvode bázy. Na obrázku je zakreslená parazitná kapacita montáže a záťaže osciloskopu CL= 500pF, ktorá sa zúčastňuje tiež na tvarovaní impulzu.

Obr. 9a. Od zapojenia na obrázku 7 sa tento oscilogram odlišuje dlhším trvaním impulzu, väčšou amplitúdou vstupného impulzu U1=1,5V z generátora (rozdiel medzi vstupnými amplitúdami je výraznejší ako na obrázku 7a) a väčšou hodnotou odporu R=R1+R0=4,6kW (tým aj dlhším trvaním čela impulzu). Väčšia hodnotou odporu R=R1+R0=4,6kW bola použitá preto, aby sa mohol v ďalšich meraniach testovať vplyv urýchľujúceho kondenzátora. U(In) - Vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup

Obr. 10. Modifikované zapojenie spínača z obrázka 9 s urýchľujúcim kondenzátorom Cu = C2 = 100pF. Nevodivý stav tranzistora UC~Ucc je zabezpečený pomocou malého predpätia UB~0,1V v obvode bázy.

Obr. 10a. Výsledok pôsobenia urýchľujúceho kondenzátora Cu=C2=100pF na trvanie čela výstupného impulzu => čiastočné skrátenie čela výstupného impulzu oproti tvaru ona brázku 9a. U(In) - Vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup

Obr. 10b. Výsledok pôsobenia urýchľujúceho kondenzátora Cu=C2=150pF na trvanie čela výstupného impulzu - skoro optimálny tvar výstupného impulzu. U(In) - Vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup

Obr. 10c. Výsledok pôsobenia urýchľujúceho kondenzátora Cu=C2=200pF na trvanie čela výstupného impulzu - mierne prekompenzovaný tvar výstupného impulzu. U(In) - Vstupný impulz ,  U(R0:1) - impulz na báze,  U(OUT) - výstup

Zhodnotenie:

Cieľom tejto časti úlohy praktika je teda prakticky si overiť, že pomocou vhodnej voľby urýchľujúceho kondenzátora C_u možno upraviť trvanie t_c zopnutia tranzistorového spínača.

Literatúra:

Podrobnejšie o úlohách a cieľoch vyššie uvedených meraní je v skriptách :

• Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 1, str. 110 - 158.

• Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automatizácie , skriptá MFF UK, 1991 ( úloha 8).

[Návrat]