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, obtināndu-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 īntre ele, neavānd importanta care reprezinta emitorul,

respectiv colectorul.

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

mare decāt jonctiunea baza-emitor.

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

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

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

foarte īngusta. 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 īn capitolul

urmator.

Pentru utilizarea tranzistorului īn 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 īn RAN este prezentat īn figura 25.

Fig. 2.5.-Polarizarea structurii npn

Fluxul de purtatori de sarcina prin structura tranzistorului pnp este prezentat īn 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, dānd nastere unui curent de emitor IE

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

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

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

de alimentare EE

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

buna parte ajungānd pāna la jonctiunea baza-colector.

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

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

baza

Īn concluzie se observa ca polarizarea tranzistorului īn RAN favorizeaza trecerea

unui procent īnsemnat de goluri din regiunea emitorului pāna īn regiunea colectorului. O

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

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

pāna īn 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 īn transferul purtatorilor majoritari de sarcina din structura emitorului pāna īn

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, neglijānd fluxul de electroni ce apare īn structura tranzistorului

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

E B C I I I

Eliminānd curentul de emitor E I īntre ecuatiile (2.1) si (2.2) se obtine o dependenta

īntre 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 īn

curent īn conexiune emitor comun, deci:

F

F

Cu aceasta notatie, relatia 2.3 devine:

c B I I

Un tranzistor este cu atāt mai bun cu cāt factorul de amplificare īn curent , este mai

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

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

semnifica ca 90% din cantitatea de goluri ajung din emitor īn colector, strabatānd regiunea

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

capata valoarea =9. Īn cazul īn care =99, acelasi factor de amplificare īn conexiunea

emitor comun va capata valoarea

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

se realizeaza īn mod curent astfel de dispozitive pentru care 10 (ajungāndu-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 īn capitolul anterior.

(relatia 2.1). Īn 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 īn Kelvin (uzual 300K)

CB U - tensiunea colector baza

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

colector si anume

o componenta provenita dinspre emitor ce strabate baza pāna īn colector si

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

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

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

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

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

jonctiunea colector-baza are o suprafata mai mare decāt 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 īn curent invers. El are aceeasi

semnificatie ca F

Prelucrānd 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 īn 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 īn acest regim de lucru, tranzistorul īndeplineste functia de amplificare.

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

BC

R CS

eU

I exp 1

kT

BE

R ES

eU I exp 1

kT

S-a aratat ca īn 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

inānd 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 īn

cazul tranzistoarelor realizate pe baza de Ge.

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

2.2.3. REGIMUL DE BLOCARE AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

Este acel regim in care ambele jonctiuni, atāt jonctiunea baza-emitor cāt 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

<<

Īn aceste conditii, facānd 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).

Īn concluzie, in cazul functionarii tranzistorului bipolar īn regim de blocare, acesta se

comporta ca o "īntrerupere" īntre baza, emitor si colector..

2.2.4. REGIMUL DE SATURA IE AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

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

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

CB U 0 < BC U 0 >

Īn setul de ecuatii Ebers-Moll (2.14 si 2.15) īn 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 capatānd 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 atāt de tensiunea baza-emitor, cāt 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. Īn 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 īntrerupatoarele cu care am comparat tranzistorul bipolar īn

regimul de blocare, acestea ar fi īn pozitia "īnchis" īn cazul regimului de saturatie.

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

functionare īn cazul tranzistorului bipolar npn ramān valabile si īn 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 ĪN

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.

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

stabilesc functionarea acestuia īn 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 īntre curentul de colector si curentul de baza

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

Introducem expresia curentului de baza

C

B

I I

rezultata din ecuatia 2.5 īn ecuatia 2.2 vom obtine relatia:

E C

1 I I (1 )

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

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

aproximativ 10 īn cel mai rau caz ajungānd la valori de aproximativ 10.

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

E C I I

Īn fine, ultima ecuatie, ecuatie ce va fi folosita īn analiza schemelor cu tranzistoare

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

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

anterior.

Īn concluzie, ecuatiile ce vor fi utilizate īn analiza polarizarii tranzistorului bipolar īn

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 īn

figura 2.8.

Aplicānd 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

Īn continuare tinānd 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

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

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

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

Aplicānd 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. Īn

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

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

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

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

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

Īn 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 . Aplicānd 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 īn 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 īn cazul schemei precedente se va analiza circuitul īn ipoteza ca tranzistorul

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

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

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

cu Ge).

Aplicānd 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

inānd cont de relatiile 2.24 si 2.26 relatia anterioara devine:

CC

EC B BE

R I RI E U

obtināndu-se pentru intensitatea curentului de colector expresia:

B BE0

C

C

E

E U I R R

Īn cazul in care īn urma calculului reiese

CI 0 >

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

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

colector-emitor UCE. Aplicānd 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 īn 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

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

īndeplinita īnseamna ca tranzistorul nu este īn regim de saturatie. Īn concluzie: daca

IC >0 (2.35)

si

UCE>0,6 V (2.36)

tranzistorul este polarizat īn R.A.N.

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

la īntelegerea 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 īn 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 īn practica sunt utilizate scheme de polarizare ce

utilizeaza o singura sursa de tensiune.

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

(RAN) este prezentata īn 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 īn 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 īn 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).

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

B B BE E E R I U R I E

inānd 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) īn cazul īn care IC>0 si

UCE>0,6 V tranzistorul va fi polarizat īn 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) avānd un factor de amplificare īn curent

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

obtināndu-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 īn RAN.

Schema prezentata īn 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 īn 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 īn baza., reprezentat īn figura 2.12.

R

R

R

R

B1

B2

C

E

E

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

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

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

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

tensiune EB si o rezistenta echivalenta RB ca īn 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

Īn urma acestui artificiu schema prezentata īn 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 īn baza

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

polarizare a tranzistorului bipolar cu doua surse de tensiune prezentata īn 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 obtināndu-se din relatia 2.32 si tensiunea colector-emitor

din ecuatia 2.33.

Prin urmare, pentru schema prezentata īn 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 īn 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 īn curent

Īn 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

Calculānd 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 . Īn concluzie tranzistorul este polarizat īn regiunea activa

normala

E 20V

2.3.4. METODE DE STABILIZARE NELINIARE A PUNCTULUI STATIC

DE FUNC IONARE

Observānd ecuatiile 2.14 si 2.15 (ecuatiile Ebbers-Moll īn cazul polarizarii

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

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

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

temperaturii.

Īn 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 īn figura 2.15.

Ideea care a stat la baza realizarii acestei scheme consta īn plasarea īn 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

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

Aplicānd legea a doua a lui Kirchhoff pe ochiul marcat īn figura 2.15 cu linie

īntrerupta se poate scrie:

B 0 B BE EE I I R U RI E

relatie īn care semnificatia curentilor este urmatoarea:

IB - curentul de baza

I - curentul de saturatie al diodei

IE - curentul de emitor al tranzistorului bipolar

inānd cont de relatiile īntre curentii tranzistorului bipolar īn 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 īn 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 īn 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, īn

cataloage de componente pasive.

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

prezentat īn 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

Īn capitolul 2.3 a fost descrisa functionarea si polarizarea tranzistorului bipolar īn

RAN. Īn acest regim tranzistorul bipolar īndeplineste mai ales functia de amplificare a

semnalelor.

Apar īnsa numeroase cazuri īn care tranzistorul este utilizat pe post de comutator sau

releu. Īn 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 īn care este realizata polarizarea dispozitivului.

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

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

electronic se comporta ca un īntrerupator īnchis (un scurtcircuit īntre baza, emitor si

colector).

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

invers. Īn acest regim de functionare dispozitivul se comporta ca o īntrerupere de circuit

īntre baza, emitor si colector ( īntrerupatorul mai sus mentionat fiind īn pozitia deschis).

Īn concluzie, pentru ca tranzistorul sa lucreze īn regimul saturat-blocat sunt necesare

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

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

regimul de blocare, ca īn figura 2.18.

BLOCARE

SATURARE

K

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

Aceasta schema ridica unele probleme īn primul rānd datorita dificultatilor ce apar īn

realizarea comutatorului electronic K si īn al doilea rānd 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

avānd practic valori nesemnificative. Deci, īn aceasta situatie este suficienta conditia UBE

pentru ca tranzistorul sa se comporte ca un īntrerupator deschis.

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

prezentata īn figura 2.19.

Aplicānd la intrare tensiunea Ui cu forma de unda prezentata īn figura 2.20, tensiunea

din colectorul tranzistorului U este cea reprezentata īn figura 2.21.

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

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

tensiunea de intrare este nula tranzistorul se blocheaza

Īn 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

īn 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.

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

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

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

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

timpul de īncarcare 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 īn generarea unor trenuri de impulsuri

dreptunghiulare. Spre exemplificare īn 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 īn amanunte, frecventa de generare a impulsurilor dreptunghiulare este data de

relatia:

1 f

2RCln 2