TRANZISTORUL BIPOLAR

TRANZISTORUL BIPOLAR

. GENERALIT I

2.1.1. STRUCTURA TRANZISTORULUI BIPOLAR

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor cu doua jonctiuni, spre

deosebire de dioda semiconductoare, dispozitiv electronic cu o singura jonctiune.

Datorita acestei structuri, pe baza celor doua jonctiuni se pot realiza doua structuri

diferite:

structura de tip pnp - prezentata in figura 2.1, sau

structura de tip npn - prezentata in figura 2.2.

Fig. 2. .-Structura tranzistorului de tip pnp

Fig. 2.2 Structura tranzistorului de tip npn

n p n

p n p

Fiecarei regiuni de semiconductor ce formeaza acele doua jonctiuni i se ataseaza un

terminal, obtinându-se astfel dispozitivul electronic numit tranzistor.

Terminalul atasat uneia din zonele semiconductoare exterioare poarta denumirea de

emitor, cel atasat regiunii centrale, baza iar terminalul atasat ultimei zone de semiconductor

se numeste colector. Simbolurile corespunzatoare celor doua tipuri de tranzistoare bipolare

pnp respectiv npn) sunt prezentate in figura 2.3.

Tranzistor pnp Tranzistor npn

Fig. 2.3.-Simbolizarea tranzistorului

Din cele prezentate anterior poate aparea ideea ca cele doua regiuni semiconductoare

exterioare pot schimba rolurile între ele, neavând importanta care reprezinta emitorul,

respectiv colectorul.

Ideea este gresita deoarece jonctiunea baza-colector are, constructiv, o suprafata mai

mare decât jonctiunea baza-emitor.

O alta eroare ce poate aparea este aceea de a echivala tranzistorul bipolar cu un

ansamblu de doua diode ca în figura 2.4. Echivalarea tranzistorului bipolar cu schema din

figura 2.4 nu este valabila, datorita faptului ca baza tranzistorului bipolar, constructiv, este

foarte îngusta. O schema echivalenta a tranzistorului este data de schema Ebers-Moll ce va fi

prezentata ulterior.

E

B

C

Fig. 2.4 Echivalarea tranzistorului bipolar cu un ansamblu de doua diode (echivalare eronata

2.1.2. FUNC IONAREA FIZIC A TRANZISTORULUI BIPOLAR

Cel mai frecvent mod de utilizare a tranzistorului bipolar este acela al regimului activ

normal. Regimurile de lucru ale tranzistorului bipolar vor fi prezentate detaliat în capitolul

urmator.

Pentru utilizarea tranzistorului în regim activ normal (RAN) jonctiunea

baza-emitor este polarizata direct, iar jonctiunea baza-colector este polarizata invers.

Descrierea functionarii tranzistorului bipolar se va referii 15515s185p la tranzistoarele de tip pnp

Modul de polarizare al unui tranzistor pnp în RAN este prezentat în figura 25.

Fig. 2.5.-Polarizarea structurii npn

Fluxul de purtatori de sarcina prin structura tranzistorului pnp este prezentat în figura

Fig. 2.6.- Fluxul de purtatori de sarcina prin structura tranzistorului pnp

p

n

p

+ + E E

IE IB IC

EE EC

Datorita polarizarii directe a jonctiunii baza-emitor, purtatorii majoritari de sarcina

golurile din zona emitorului, respectiv electronii din regiunea bazei vor trece usor jonctiunea

baza-emitor, dând nastere unui curent de emitor IE

Golurile din regiunea emitorului (unde sunt purtatorii majoritari de sarcina) odata

ajunse în regiunea bazei devin purtatori minoritari de sarcina în aceasta regiune.

O parte din goluri se recombina cu electronii excedentari, injectati în baza de sursa

de alimentare EE

Constructiv regiunea bazei fiind foarte îngusta, nu toate golurile se vor recombina, o

buna parte ajungând pâna la jonctiunea baza-colector.

Aceasta jonctiune, fiind polarizata invers, va permite trecerea purtatorilor minoritari

de sarcina, respectiv a golurilor din regiunea bazei în colector si a electronilor din colector în

baza

În concluzie se observa ca polarizarea tranzistorului în RAN favorizeaza trecerea

unui procent însemnat de goluri din regiunea emitorului pâna în regiunea colectorului. O

parte din aceste goluri, la traversarea regiunii bazei se va recombina cu electronii furnizati de

sursa de alimentare E E , dând nastere curentului de baza B I .Golurile ce vor reusi sa ajunga

pâna în colector, vor fii preluati de sursa de tensiune C E stabilind curentul de colector C I .

Din cele prezentate anterior se observa ca principiul de functionare al tranzistorului

bipolar consta în transferul purtatorilor majoritari de sarcina din structura emitorului pâna în

zona colectorului. Datorita acestui fapt, tranzistorul bipolar poate fi caracterizat printr-un

parametru numit factor de curent sau factor static de amplificare, notat cu

Relatia de definitie al acestuia este:

C

F

E

I

I

Se observa din aceasta relatie de definitie ca factorul este subunitar.

Pe de alta parte, neglijând fluxul de electroni ce apare în structura tranzistorului

bipolar, din figura 2.6.Se poate scrie o relatie asemanatoare legii întâi a lui Kirchhoff:

E B C I I I

Eliminând curentul de emitor E I între ecuatiile (2.1) si (2.2) se obtine o dependenta

între curentul de colector si curentul de baza de forma:

F

C B

F

I I

Noul factor F

F

se noteaza cu β si este denumit factorul de amplificare în

curent în conexiune emitor comun, deci:

F

F

Cu aceasta notatie, relatia 2.3 devine:

c B I I

Un tranzistor este cu atât mai bun cu cât factorul de amplificare în curent , este mai

apropiat de valoarea 1. Aceasta conditie determina o valoare relativ mare a factorului de

amplificare în curent în conexiunea emitor comun - . Astfel în cazul în care =0,9, ceea ce

semnifica ca 90% din cantitatea de goluri ajung din emitor în colector, strabatând regiunea

bazei fara a se recombina, factorul de amplificare în curent în conexiunea emitor comun

capata valoarea =9. În cazul în care =99, acelasi factor de amplificare în conexiunea

emitor comun va capata valoarea

La ora actuala, datorita tehnologiilor moderne de fabricare a tranzistoarelor bipolare

se realizeaza în mod curent astfel de dispozitive pentru care 10 (ajungându-se chiar la

valori de ordinul 700-900).

2.2. REGIUNILE DE LUCRU ALE TRANZISTORULUI BIPOLAR.

2.2.1. ECUA IILE EBERS-MOLL.

Expresia curentului de colector al unui tranzistor bipolar poate fi scris sub forma:

CB

C FE CB0

eU I I I exp 1

kT

Se observa ca primul termen al membrului drept al ecuatiei stabileste legatura dintre

curentul de colector si cel de emitor, legatura ce a fost prezentata în capitolul anterior.

(relatia 2.1). În plus apare un al doilea termen care modeleaza jonctiunea baza colector.

Acest al doilea termen este asemanator relatiei curent-tensiune a unei diodei

semiconductoare, unde:

e - sarcina electrica elementara C

k - constanta lui Boltzman ( J K

T - temperatura în Kelvin (uzual 300K)

CB U - tensiunea colector baza

Relatia 2.6 indica faptul ca exista doua componente în formarea curentului de

colector si anume

o componenta provenita dinspre emitor ce strabate baza pâna în colector si

o componenta ce se stabileste prin jonctiune, între baza si colector.

În prezentarea facuta anterior, aceasta a doua componenta a fost neglijata CB I

reprezinta curentul de saturatie (rezidual) al jonctiunii baza-colector.

În mod similar, putem considera ca rolul emitorului si al colectorului se schimba. Am

aratat anterior ca structura tranzistorului bipolar este oarecum simetrica, exceptând faptul ca

jonctiunea colector-baza are o suprafata mai mare decât jonctiunea emitor-baza

Duala ecuatiei 2.6 este:

BE

E RC EB0

eU I I I exp 1

kT

Parametrul R se numeste factor de amplificare în curent invers. El are aceeasi

semnificatie ca F

Prelucrând relatiile 2.6 si 2.7, se obtin expresiile curentilor de emitor si de colector

functie de tensiunile baza-emitor si colector-emitor, noul set de ecuatii este:

BC BE

E ES RCS

eU eU I I exp 1 I exp 1

kT kT

BC BE

C RES CS

eU eU I I exp 1 I exp 1

kT kT

Schema echivalenta ce modeleaza ecuatii 2.8 si 2.9 este prezentata în figura 2.7.

IES

CS I

Fig. 2.7. - Modelul Ebers-Moll.

2.2.2. REGIMUL ACTIV NORMAL

Este regimul de lucru care justifica cel mai bine utilizarea tranzistorului bipolar. Se

va arata ulterior ca în acest regim de lucru, tranzistorul îndeplineste functia de amplificare.

R.A.N a fost tratat la nivel descriptiv în subcapitolul 2.1.2.

BC

R CS

eU

I exp 1

kT

BE

R ES

eU I exp 1

kT

S-a aratat ca în acest regim de lucru jonctiunea baza-emitor este polarizata direct - BE U 0 >

si jonctiunea baza-colector este polarizata invers BC U 0 <

Datorita acestei polarizari se pot face aproximarile:

BE eU exp 1

kT

>>

BC eU exp 1

kT

>>

Pe baza acestor aproximari relatiile Ebers-Moll devin:

BE

E ES RCS

eU I I exp I

kT

BE

C FES CS

eU I I exp I

kT

inând seama de faptul ca valoarea curentului de saturatie CS I este relativ mica, setul

anterior de ecuatii capata forma:

BE

E ES

eU I I exp

kT

BE

C FES

eU I I exp

kT

Este lesne de observat faptul ca ecuatia (2.14) ce stabileste dependenta curentului de

emitor de tensiunea baza-emitor este asemanatoare ecuatiei curent-tensiune specifica diodei

semiconductoare.

Tot pe baza ecuatiei (2.14) ecuatia (2.15) poate fi scrisa sub forma

C FE I I

ecuatie ce a mai fost discutata in capitolul ., relatia 2.1. S-a aratat in acel capitol ca

expresia curentului de colector poate fi exprimata functie de curentul de baza (2.5). Ca si in

cazul diodei semiconductoare, ecuatia 2.14 este dificil de utilizat.

Datorita argumentelor prezentate in subcapitolul . in locul ecuatiei 2.14 va fi

folosita relatia

BE BE U U

unde BE U are valoarea 0,6 V in cazul tranzistoarelor realizate pe baza de Si si 0,1 V în

cazul tranzistoarelor realizate pe baza de Ge.

Relatia (2.17) este mult mai usor de utilizat decât ecuatia exponentiala

2.2.3. REGIMUL DE BLOCARE AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

Este acel regim in care ambele jonctiuni, atât jonctiunea baza-emitor cât si jonctiunea

baza-colector sunt polarizate invers, adica

BE U 0 <

BC U 0 <

Datorita acestui tip de polarizare al tranzistorului bipolar, sunt valabile aproximatiile:

BE eU exp 1

kT

<<

BC eU exp 1

kT

<<

În aceste conditii, facând neglijarile sugerate de relatiile 2.18, 2.19, ecuatiile Ebers-

Moll capata forma:

E ES RCS I I I

C RES CS I I I

Valorile curentilor de saturatie ES I respectiv CS I sunt foarte mici (~nA), prin urmare

ele vor putea fi neglijate in raport cu valorile uzuale ale intensitatilor curentilor din circuit

(~mA).

În concluzie, in cazul functionarii tranzistorului bipolar în regim de blocare, acesta se

comporta ca o "întrerupere" între baza, emitor si colector..

2.2.4. REGIMUL DE SATURA IE AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

În acest regim de lucru, tranzistorul bipolar are polarizate in mod direct ambele

jonctiuni. Deci conditiile de functionare ale tranzistorului în acest regim sunt BE U 0 >

CB U 0 < BC U 0 >

În setul de ecuatii Ebers-Moll (2.14 si 2.15) în ambii termeni a fiecarei relatii se fac

urmatoarele aproximari:

BE eU exp 1

kT

si

BC eU exp 1

kT

curentii de emitor, respectiv de colector capatând forma :

BC BE

E ES RCS

eU eU I I exp I exp

kT kT

BC BC

C FES CS

eU eU I I exp I exp

kT kT

Se observa din relatiile anterioare ca ambii curenti de emitor - E I si de colector - CI

depind exponential atât de tensiunea baza-emitor, cât si de tensiunea baza-colector.

Acest fenomen conduce la cresterea puternica a celor doi curenti de emitor si de

colector, si implicit si a curentului de baza. În acest regim de lucru cele trei zone ale

structurii tranzistorului emitorul, baza si colectorul sunt invadate de purtatori de sarcina

Fluxul acestora nu mai este controlat de tensiunile baza-emitor, respectiv baza-colector.

Deci in regimul de saturatie al tranzistorului bipolar, acesta se comporta ca un scurtcircuit

intre baza, emitor si colector.

Daca ne referim la întrerupatoarele cu care am comparat tranzistorul bipolar în

regimul de blocare, acestea ar fi în pozitia "închis" în cazul regimului de saturatie.

În finalul acestui capitol, trebuie subliniat faptul ca aceasta descriere a regimului de

functionare în cazul tranzistorului bipolar npn ramân valabile si în cazul tranzistorului pnp

cu observatia ca sensul tensiunilor si curentilor vor fi opuse, pentru fiecare regim de

functionare.

Concluziile ce se desprind din acest capitol pot fi sintetizate sub forma tabelului 2.1

Tranzistor pnp Tranzistor npn

UBE

UBC

UBE

UBC

Regimul Activ Normal >0 <0 <0 >0

Regimul de Blocare <0 <0 >0 >0

Regimul de Saturatie >0 >0 <0 <0

Tabelul 2. -Regimurile de lucru ale tranzistorului bipolar

2.3. CIRCUITE DE POLARIZARE ALE TRANZISTORULUI

BIPOLAR

2.3.1. APROXIMAREA ECUA IILOR TRANZISTORULUI BIPOLAR ÎN

RAN.

Circuitele de polarizare ale tranzistorului bipolar sunt acele circuite cu ajutorul carora

se realizeaza polarizarea dorita ale celor doua jonctiuni: baza-emitor, respectiv bazacolector.

În continuare vor fi prezentate circuitele de polarizare ale tranzistorului bipolar ce

stabilesc functionarea acestuia în RAN.

S-a ales prezentarea acestor tipuri de polarizari deoarece RAN este, probabil, cel mai

utilizat regim de utilare a tranzistorului.

Pentru analiza schemelor de polarizare ale tranzistorului bipolar se va utiliza

urmatorul set de ecuatii ce descrie legatura între curentul de colector si curentul de baza

respectiv ecuatia 2.5, care stabileste legatura între curentul de baza si colector.

Introducem expresia curentului de baza

C

B

I I

rezultata din ecuatia 2.5 în ecuatia 2.2 vom obtine relatia:

E C

1 I I (1 )

Dupa cum s-a aratat în subcapitolul . pentru marea majoritate a tranzistoarelor

factorul de amplificare în curent în conexiunea emitor comun are valori uzuale de

aproximativ 10 în cel mai rau caz ajungând la valori de aproximativ 10.

Datorita acestor considerente relatia (2.25) poate fi aproximata cu expresia:

E C I I

În fine, ultima ecuatie, ecuatie ce va fi folosita în analiza schemelor cu tranzistoare

bipolare este ecuatia 2.14. Aceasta ecuatie este însa foarte dificil de utilizat datorita formei

sale exponentiale. Ea va fi înlocuita de ecuatia 2.17 pe baza considerentelor prezentate

anterior.

În concluzie, ecuatiile ce vor fi utilizate în analiza polarizarii tranzistorului bipolar în

RAN sunt:

C B I I

C E I I

BE BE0 U U

2.3.2. POLARIZAREA TRANZISTORULUI BIPOLAR CU DOU

SURSE DE TENSIUNE

Cea mai clara schema de polarizare a tranzistorului bipolar este cea prezentata în

figura 2.8.

Aplicând legea a doua a lui Kirchhoff pe ochiul I se poate scrie ecuatia:

E E BE E R I U E

E

C

E

E

R

C

R

E

I

II

Fig. 2.8-Polarizarea tranzistorului bipolar cu doua surse de tensiune (varianta

În continuare tinând cont de aproximarea 2.17 ecuatia 2.27 devine:

E E BE E R I U E

unde BE U are valoarea de 0,6 V pentru tranzistoarele realizate pe baza Si si 0,1 V pentru

cele realizate pe baza de Ge.

Din relatia 2.28 se poate determina usor valoarea curentului de emitor E I :

E BE

E

E

E U

I

R

Pe baza relatiei 2.26 se determina valoarea curentului de colector C E I I

Cunoscându-se curentul de colector C I , se determina curentul de baza, pe baza relatiei 224.

În concluzie, este suficienta determinarea curentului de colector C I . Ulterior, se pot

determina curentii de emitor EI si curentul de baza B I .

Aplicând legea a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul notat II se obtine ecuatia:

E C CB C R I U E

Din aceasta ecuatie se determina valoarea tensiunii CB U :

CB E C U E RI

unde C I a fost calculat anterior. În

cazul în care, în urma calculelor rezulta C I >0, aceasta inegalitate indica faptul ca tranzistorul

bipolar nu este blocat ( altfel C I <0) si nu lucreaza în regim activ invers (caz în care C I <0).

Calculul tensiunii CB U ne ofera de asemenea informatii asupra regimului de lucru al

tranzistorului bipolar. Daca CB U > 0 înseamna ca jonctiunea baza-colector este polarizata

invers; caz în care tranzistorul bipolar nu functioneaza în regim de saturatie.

În concluzie din conditiile C I >0 ( tranzistorul nu este blocat ) si CB U > 0

(tranzistorul nu este saturat) rezulta ca regimul de lucru al tranzistorului este RAN.

Exemplu de calcul

Consideram ca tranzistorul din figura 27 este un tranzistor cu Si ( BE U =0,6 ) si

valorile surselor de tensiune si

rezistentelor de polarizare au valorile:

E E 5V

E R 2k

C R 4k

Din relatia ( 2.29 ) se obtine EI 2,2mA si implicit si CI 2,2mA . Aplicând relatia

2.31 se obtine valoarea tensiunii colector-baza CB U =1,2V.

O alta schema de polarizare a tranzistoarelor bipolare cu ajutorul a doua surse de

tensiune este prezentata în figura 2.9.

E

C

E

B

R

R

R

B

C

E

I

II

Fig. 2.9-Polarizarea tranzistorului bipolar cu doua surse de tensiune (varianta 2)

C E 10V

Ca si în cazul schemei precedente se va analiza circuitul în ipoteza ca tranzistorul

bipolar functioneaza în R.A.N., urmând ca aceasta ipoteza sa fie verificata ulterior. La fel ca

în cazul schemei precedente se va considera ca tensiunea baza-emiror este cunoscuta

(UBE=UBE0 aproximativ 0,6 V în cazul tranzistoarelor cu Si si 0,1 V în cazul tranzistoarelor

cu Ge).

Aplicând legea a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul I se obtine relatia:

B B BE E E B I R U R I E

inând cont de relatiile 2.24 si 2.26 relatia anterioara devine:

CC

EC B BE

R I RI E U

obtinându-se pentru intensitatea curentului de colector expresia:

B BE0

C

C

E

E U I R R

În cazul in care în urma calculului reiese

CI 0 >

tranzistorul nu este blocat, el putând fi polarizat în R.A.N. sau în regim de saturatie. Pentru

a stabili clar regimul de functionare al tranzistorului va trebui calculata valoarea tensiunii

colector-emitor UCE. Aplicând legea a doua a lui Kirchhoff pe ochiul II din schema 2.9. se

obtine ecuatia:

C C CE E E C I R U R I E

relatie din care se calculeaza tensiunea colector-emitor UCE ca fiind:

CE C C C E U E I(R R)

In expresia tensiunii UCE s-a tinut de asemenea cont de aproximarea 2.26. Din prezentarea

grafica 2.10 a tensiunilor ce apar la bornele tranzistorului bipolar

U

U

CE

BE

BC

U

Fig. 2. 0.- Sensul tensiunilor la bornele tranzistorului bipolar npn

se observa ca

CE BE BC U U U

Daca tranzistorul este polarizat în R.A.N. tensiunea baza colector trebuie sa fie negativa

(UBC<0) si din relatia 2.34 se obtine expresia tensiunii colector-emitor:

CE BE BC U U U

În cazul în care în urma calculului efectuat conditia UCE>UBE (=0,6V) este

îndeplinita înseamna ca tranzistorul nu este în regim de saturatie. În concluzie: daca

IC >0 (2.35)

si

UCE>0,6 V (2.36)

tranzistorul este polarizat în R.A.N.

Schemele prezentate în figurile 2.8 si 2.9 au mai mult o importanta teoretica, servind

la întelegerea modului de stabilire a punctului static de functionare al tranzistorului bipolar.

Aceste scheme sunt neeconomicoase, datorita faptului ca necesita doua surse de tensiune

pentru polarizare.

2.3.3. POLARIZAREA TRANZISTORULUI BIPOLAR CU O SINGUR

SURS DE TENSIUNE

Schemele de polarizare ale tranzistoarelor bipolare prezentate în subcapitolul

precedent au o importanta pur teoretica. Este neeconomica utilizare a doua surse de tensiune

pentru polarizarea tranzistoarelor bipolare, iar analiza si proiectarea unor astfel de scheme

este greoaie.

Datorita acestor considerente în practica sunt utilizate scheme de polarizare ce

utilizeaza o singura sursa de tensiune.

Cea mai simpla schema de polarizare a unui tranzistor bipolar în regim activ normal

(RAN) este prezentata în figura 2.11

R

R

R

E

B

C

E

I

II

Fig. 2. .-Polarizarea tranzistorului bipolar cu o singura sursa de tensiune si o singura rezistenta în baza

Se observa din figura 2.11 ca pentru polarizarea bazei este utilizata o singura

rezistenta RB

Pentru stabilirea punctului static de functionare al tranzistorului vom considera ca

acesta lucreaza în regiunea activa normala . Ca urmare, se considera tensiunea baza-emitor

ca fiind cunoscuta (UBE=UBE0, adica 0,6 V pentru tranzistoarele cu Si si 0,1 V pentru

tranzistoarele cu Ge).

Aplicând legea a doua a lui Kirchhoff pe ochiul I se obtine ecuatia :

B B BE E E R I U R I E

inând cont de relatiile 2.24 si 2.26 din ecuatia 2.37 se obtine valoarea curentului de

colector;

BE

C

B

E

E U I R R

Pentru determinarea tensiunii colector-emitor se aplica de asemenea legea a doua a

lui Kirchhoff pe ochiul II (vezi figura 2.11).

C C CE E E I R U R I E

Folosind aproximatia 2.26 ( E C I I ) se determina tensiunea colector-emitor UCE

CE C E C U E R R I

Din considerentele prezentate mai anterior (2.35 2.36) în cazul în care IC>0 si

UCE>0,6 V tranzistorul va fi polarizat în RAN

Exemplu de calcul:

Pentru schema din figura 2.11 valorile rezistentelor sunt:

B R 500k

C R 2k

E R 10k

Sursa de tensiune are valoarea:

E 15V

iar tranzistorul bipolar este cu Si ( UBE=0,6 V) având un factor de amplificare în curent

Pe baza relatiei 2.38 se calculeaza valoarea intensitatii curentului de colector,

obtinându-se valoarea:

CI 0,96mA

Odata calculata valoarea curentului de colector, pe baza relatiei 2.39 se calculeaza tensiunea

colector-emitor:

CE U 3,48V

Prin urmare, tranzistorul bipolar este polarizat în RAN.

Schema prezentata în figura 2.11 se remarca prin simplitatea sa. Totusi ea prezinta un

inconvenient major: punctul static de functionare al tranzistorului bipolar este foarte

dependent de temperatura. Aceasta dependenta se datoreaza în special dependentei

parametrilor specifici jonctiunii baza-emitor de temperatura

Pentru a diminua influenta temperaturii asupra punctului static de functionare se

utilizeaza schema de polarizare cu divizor rezistiv în baza., reprezentat în figura 2.12.

R

R

R

R

B1

B2

C

E

E

Fig. 2. 2.-Polarizarea tranzistorului bipolar cu divizor rezistiv în baza

Pentru stabilirea punctului static de functionare al tranzistorului se recurge la un

artificiu. Fara a intra în amanunte, pe baza teoremei lui Thevenin, grupul de rezistente RB1

RB2 si sursa de tensiune E pot fi echivalate între punctele A si B cu o sursa echivalenta de

tensiune EB si o rezistenta echivalenta RB ca în figura 2.13

R

R

B1

B2

E

A

B

A

B

R

E

B

B

Fig. 2. 3-Echivalarea Thevenin a grupului de rezistente RB , RB2 si a sursei de tensiune E

Pe baza teoremei lui Thevenin noile elemente ale schemei electrice RB si EB se calculeaza cu

relatiile:

B1 B2

B B1 B2

B1 B2

R R R R R

R R

si

B1

B

B1 B2

R E E

R R

În urma acestui artificiu schema prezentata în figura 2.12 poate fi echivalata cu

schema electrica din figura 2.14:

R

R

R E

E

C

C

B

B E

I

II

Fig. 2. Schema echivalenta de polarizare a tranzistorului bipolar cu divizor rezistiv în baza

Se recunoaste identitatea schemei echivalente prezentate în figura 2.13 cu schema de

polarizare a tranzistorului bipolar cu doua surse de tensiune prezentata în figura 2.9.

Modul de calcul al valorii curentului de colector IC si al tensiunii colector-emitor UCE

decurge identic cu calculul punctului static de functionare al schemei din figura 2.9,

intensitatea curentului de colector obtinându-se din relatia 2.32 si tensiunea colector-emitor

din ecuatia 2.33.

Prin urmare, pentru schema prezentata în figura 2.12 singura problema deosebita o

constituie echivalarea sugerata de figura 2.13.

Exemplu de calcul

Se considera schema de polarizare a tranzistorului bipolar prezentata în figura 2.12,

cu urmatoarele valori ale componentelor:

B1 R 500k

B2 R 500k

E R 1,5k

C R 2k

Valoarea tensiunii de alimentare este:

Tranzistorul este realizat pe baza de Si (UBE=0,6V) si are un factor de amplificare în curent

În urma echivalarii divizorului rezistiv RB1, RB2 se obtine pentru polarizarea bazei

rezistenta echivalenta B R 250k si o sursa de tensiune de polarizare a bazei B E 10V

Calculând intensitatea curentului de colector din ecuatia 2.32 se obtine pentru acesta

valoarea: C I 2,35mA . De asemenea, pe baza ecuatiei 2.33 se obtine o valoare a tensiunii

colector-emitor: CE U 11,25V . În concluzie tranzistorul este polarizat în regiunea activa

normala

E 20V

2.3.4. METODE DE STABILIZARE NELINIARE A PUNCTULUI STATIC

DE FUNC IONARE

Observând ecuatiile 2.14 si 2.15 (ecuatiile Ebbers-Moll în cazul polarizarii

tranzistorului bipolar în RAN) se observa ca valorile curentilor de emitor IE si implicit si cel

de colector IC depind de temperatura, având o variatie exponentiala functie de aceasta. Prin

urmare si punctul static de functionare al acestor dispozitive va fi afectat de variatia

temperaturii.

În cazul anumitor circuite, mai ales din domeniul masurarilor electronice, aceste

variatii cu temperatura a marimilor electrice prin tranzistor sunt foarte deranjante, Datorita

acestor considerente s-au conceput scheme de polarizare a tranzistoarelor bipolare care sa

reduca variatia parametrilor acestora cu temperatura.

O prima schema de compensare a parametrilor tranzistorului cu temperatura este

prezentata în figura 2.15.

Ideea care a stat la baza realizarii acestei scheme consta în plasarea în paralel cu

jonctiunea baza-emitor a unei alte jonctiuni, realizata din acelasi material si cu aceeasi

comportare functie de temperatura ca si jonctiunea baza-emitor a tranzistorului bipolar.

De asemenea constructiv, la realizarea schemei dioda semiconductoare se va plasa

cât mai aproape de tranzistorul bipolar pentru ca temperaturile jonctiunilor sa fie cât mai

apropiate.

R

R

R

B

C

E

E

D

I

I I

I

0 B

B

Fig. 2. 5.-Compensarea parametrilor tranzistorului bipolar cu temperatura prin utilizarea diodei

semiconductoare - varianta I

Aplicând legea a doua a lui Kirchhoff pe ochiul marcat în figura 2.15 cu linie

întrerupta se poate scrie:

B 0 B BE EE I I R U RI E

relatie în care semnificatia curentilor este urmatoarea:

IB - curentul de baza

I - curentul de saturatie al diodei

IE - curentul de emitor al tranzistorului bipolar

inând cont de relatiile între curentii tranzistorului bipolar în RAN, si anume:

E C E

B

C B

I I I I

I I

ecuatia 2.40 devine:

B

0 B E E BE

R I R I R E U

Fara a insista asupra modului de compensare a variatiilor cu temperatura a punctului static

de functionare al tranzistorului bipolar, se observa ca este necesar ca variatiile cu

temperatura ale curentului de emitor IE (vezi relatia 2.12) sa fie compensate de variatiile cu

temperatura ale curentului rezidual al diodei I

O alta posibilitate de compensare a variatiilor cu temperatura a punctului static de

functionare ale tranzistorului bipolar este prezentata în figura 2.16. Aceasta schema de

compensare functioneaza pe acelasi principiu ca cel prezentat anterior.

B1

R

C

I

R

R

E

D

E

R

B2

Fig. 2. 6.-Compensarea parametrilor tranzistorului bipolar cu temperatura prin utilizarea diodei

semiconductoare - varianta II

O alta metoda de stabilizare a punctului static de functionare cu variatiile de

temperatura consta în utilizarea termistoarelor. Dupa cum se cunoaste, acestea sunt elemente

de circuit a caror rezistenta electrica se modifica cu temperatura. Modul de variatie al

rezistentei electrice cu temperatura este prezentat grafic, pentru fiecare tip de termistor, în

cataloage de componente pasive.

Schema de stabilizare a punctului static de functionare cu ajutorul termistoarelor este

prezentat în figura 2.17.

t

Fig. 2. 7.-Compensarea parametrilor tranzistorului bipolar cu temperatura prin utilizarea termistorului

2.4. REGIMUL DE COMUTA IE AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

2.4.1. CIRCUITE DE COMUTA IE NEREGENERATIVE

În capitolul 2.3 a fost descrisa functionarea si polarizarea tranzistorului bipolar în

RAN. În acest regim tranzistorul bipolar îndeplineste mai ales functia de amplificare a

semnalelor.

Apar însa numeroase cazuri în care tranzistorul este utilizat pe post de comutator sau

releu. În aceste situatii dispozitivul trebuie sa lucreze pe post de comutator sau releu.

Pentru a descrie functionarea tranzistorului bipolar pe post de comutator este necesar

sa reamintim modul în care este realizata polarizarea dispozitivului.

S-a aratat în subcapitolul2.2.4 ca în regim de saturatie ambele jonctiuni ale

tranzistorului trebuie sa fie polarizate direct (vezi Tabelul 2.1). În acest regim dispozitivul

electronic se comporta ca un întrerupator închis (un scurtcircuit între baza, emitor si

colector).

Pentru aducerea tranzistorului în regim de blocare ambele jonctiuni vor fi polarizate

invers. În acest regim de functionare dispozitivul se comporta ca o întrerupere de circuit

între baza, emitor si colector ( întrerupatorul mai sus mentionat fiind în pozitia deschis).

În concluzie, pentru ca tranzistorul sa lucreze în regimul saturat-blocat sunt necesare

doua surse de tensiune, pentru polarizarea bazei: una care sa polarizeze direct jonctiunea

baza-emitor în regimul de saturatie si alta care sa polarizeze aceasta jonctiune invers în

regimul de blocare, ca în figura 2.18.

BLOCARE

SATURARE

K

Fig. 2. 8-Polarizarea unui tranzistor în regimul blocat-saturat

Aceasta schema ridica unele probleme în primul rând datorita dificultatilor ce apar în

realizarea comutatorului electronic K si în al doilea rând datorita necesitatii utilizarii a trei

surse de tensiune. .

O solutie pentru evitarea acestor inconveniente ar fi utilizarea tranzistorului la limita

regimului de blocare (un regim de pseudoblocare). Pentru aceasta este suficient ca tensiunea

baza-emitor a tranzistorului bipolar sa fie nula (UBE

Din ecuatiile 2.8 si 2.9 se observa ca primul termen din ambele expresii devine egal

cu 0 ( BE eU exp 1 0

kT

), expresiile curentilor devenind:

E RES I I

C CS I I

având practic valori nesemnificative. Deci, în aceasta situatie este suficienta conditia UBE

pentru ca tranzistorul sa se comporte ca un întrerupator deschis.

Cea mai simpla schema de utilizare a tranzistorului bipolar pe post de comutator este

prezentata în figura 2.19.

Aplicând la intrare tensiunea Ui cu forma de unda prezentata în figura 2.20, tensiunea

din colectorul tranzistorului U este cea reprezentata în figura 2.21.

Se observa ca în cazul în care tensiunea de intrare are valoarea maxima i iM U U

tranzistorul se satureaza , tensiunea colector-emitor devenind U 0,1V , iar în cazul în care

tensiunea de intrare este nula tranzistorul se blocheaza

În aceasta situatie curentul de colector al tranzistorului este nul si a urmare pe

rezistenta RC nu apare cadere de tensiune, valoarea tensiunii de alimentare EC regasindu-se

în colectorul tranzistorului.

R

R

B

C

U

U

i

E

C

Fig. 2. 9.-Comutator electronic cu tranzistor bipolar

Fig. 2.20.-Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

2.4.2. CIRCUITE DE COMUTA IE REGENERATIVE

Spre deosebire de circuitele de comutatie neregenerative care doar prelucreaza

semnalele de intrare, cele regenerative au posibilitatea generarii semnalelor dreptunghiulare.

În general, aceste circuite sunt alcatuite din cel putin doua tranzistoare care se

influenteaza reciproc, în sensul ca în momentul în care unul dintre ele este blocat, celalalt

este saturat; dupa un interval de timp cele doua tranzistoare schimba starea în care se aflau

anterior. Intervalul de timp dupa care are loc aceasta comutatie este de obicei stabilit de

timpul de încarcare al unui condensator prin intermediul unei rezistente de la sursa de

tensiune. De obicei astfel de circuite de comutare regenerative se mai numesc si circuite

basculante bistabile. Ele sunt foarte utile în generarea unor trenuri de impulsuri

dreptunghiulare. Spre exemplificare în figura 2.21 este prezentata schema celui mai simplu

circuit basculant astabil.

Ui

UO

UiM

C C

R R

Fig. 2.2 -Schema circuitului basculant astabil

Fara a intra în amanunte, frecventa de generare a impulsurilor dreptunghiulare este data de

relatia:

1 f

2RCln 2