Bipolaire transistors

De grote dag is aangebroken: de studie van de transistor, het basiselement van de elektronica.

In dit hoofdstuk bekijken we zijn werking en zijn gedrag in schakelingen.

In het begin van de elektronica bestonden er geen transistoren maar wel radiobuizen of “lampen”. Deze technologie wordt nog zelden gebruikt: de gemiddelde radioamateur zal enkel met transistoren te maken hebben. Met dit uitermate belangrijk onderdeel kunnen we stromen of spanningen schakelen, signalen opwekken, versterken, mengen… en nog veel meer.

Eerst nog een kort overzicht van de wet van Ohm met een diode in een kring :

In dit schema zien we twee weerstanden en een diode in serie en gevoed door een bron van 10 V waardoor een stroom I vloeit.
We meten de spanningsvallen over de weerstand en over de diode. De waarden worden in het blauw weergegeven en mogen nu geen probleem meer geven. Voor alle zekerheid, probeer je één en ander maar even na te gaan.

Links worden enkele types transistoren weergegeven. Er bestaat echter zo een groot aantal modellen en types transistoren dat niemand ze allemaal kan kennen. Daarom bestaan er “databoeken” waarin de fabrikanten alle gegevens ter beschikking van de gebruiker stellen. Ook op het internet kan je “data- sheets” opzoeken.
Voor de knutselaar: leer werken met deze data want je hebt ze nodig, al was het maar voor de aansluitgegevens van de verschillende types.

Een diode bestaat uit een PN-junctie. Bij de transistor hebben we een tweede junctie. We zullen hier enkel de NPN-transistor bestuderen; het minder courante PNP type werk precies hetzelfde maar met omgekeerde polariteiten. Rechts zie je het symbool.

De transistor is opgebouwd uit twee PN-overgangen in serie (zie lager). Als het ware zijn de overgangen aan elkaar geplakt en vormen een NPN transitor.

Met enige verbeelding zie je dat we dan drie elektroden hebben. De basis is de besturingselektrode. Deze werkt ongeveer als een kraantje en kan geregeld worden. Als ze aan een positieve spanning wordt aangesloten gaat er stroom naar de emittor vloeien, maar die stroom moet wel in de hand gehouden worden. Door die zeer kleine basisstroom kan er door de collector een veel grotere stroom vloeien. Dit komt door een effect van elektrisch veld naar de emittor. Door de inwerking van dat betrekkelijk groot veld gaat er, niettegenstaande de diode vanaf de collector gesperd is, toch een grote stroom vloeien tussen collector en emittor. Deze collectorstroom wordt vooral door de basisstroom geregeld. De emittor voert de beiden stromen af (= die uit basis EN uit collector).

Deze uitleg is beperkt en zeker onvolledig, maar hij volstaat voor een goed begrip.

Hiernaast zie je een andere voorstelling om de werking te begrijpen. In praktijk is het niet mogelijk zelf een transitor bouwen volgens dit schema, omdat je het transistoreffect met zo’n constructie niet zelf kan verkrijgen. Het gaat hier enkel over een voorstellingsvorm.
Je merkt dat de basis/emittor diode in doorlaatrichting staat en de collector/ basis in sper.

Een klein bouwsel als test :

Het gaat maar over een minimaal opzet omdat zo’n schakeling moeilijk stabiel te reproduceren valt. Dit komt door de spreiding van eigenschappen van de transistoren bij de constructie (en die is niet te verwaarlozen).
Bij correcte polarisatie (zin en grootte) zal een basisstroom I_B van een paar microapmperes (µA )vloeien door de basis-emittor-overgang. Het gaat om een junctie waarover de spanning bij een siliciumtransistor steeds 0,6 à 0,7 bedraagt.
De stroom I_C is heel wat groter en vloeit van collector naar emittor. Als we experimenteren met de basisstroom vinden we een bepaalde relatie tussen I _C en I_B .
Verder moet de emittorstroom wel de grootste van de drie stromen zijn, maar gelijk aan de som van I_Cen I _B.

We onthouden de relaties hieronder :

I_E = I_C + I_B

IC = β . I_B

De spanningsbronnen nemen we regelbaar en we gaan voor elke spanning de stroom I meten en in een curve uitzetten.

Proef 1

Stellen we de basisstroom op 5µA. Deze veroorzaakt een collectorstroom van 1 mA. Nu laten we de spanning V2, zijnde de spanning die de collector voedt, variëren. Bij elke verandering noteren we Ic en Vce (spanning over collector en het gemeenschappelijk punt (massa). We zetten dat in een grafiek hiernaast uit.

Een eerste resultaat: Bij verandering van de collectorspanning zal vanaf een bepaald punt de stroom constant blijven (5 µA).

Proef 2

We hernemen de proef hierboven maar stellen eerst een nieuwe basisstroom in bv. 10, 20 µA… We voeren het resultaat eveneens in de grafiek in. We merken dat de stroomwinst β steeds constant blijft. De stroomwinst is de verhouding IC/IB. We stellen vast dat naar- mate we Vce groter nemen, het horizontale deel kleiner wordt.

Merk en onthou dat de collectorstroom afhankelijk is van de basisstroom volgens een factor β.

Karakteristiek van de basis van een transistor :

We gaan de invloed na van Ib in functie van Vbe. We vertelden al dat deze karakteristiek dezelfde is als bij een diode en dit is hier duidelijk te zien. De basis-emmitordiode werd in geleiding gebracht. De grafiek zal daarom identiek zijn ( vgl. een diode in doorlaat).

We konden vaststellen dat de collectorstroom volgens β met de basisstroom verbonden is.

De stroomvermenigvuldigingsfaktor β van een transistor is sterk temperatuur- afhankelijk. Als de temperatuur stijgt zal β stijgen. Dit kan een lawine-effekt doen ontstaan bij stijgende temperatuur: β stijgt verder wat dan opnieuw de stroom doet stijgen enz…

Nog iets om te onthouden:

De transistor is een stroombron, maar wel één die kan geregeld worden.

Extreme punten waar een transistor niet kan werken :

Een belastinglijn geeft visueel een beter begrip. De belastinglijn werd ook bij de studie van de diode ter sprake gebracht.

De karakteristiek van de collector is hetgeen we hier nodig hebben. Hierop plaatsen we de twee representatieve punten die de wet van Ohm ons kan bezorgen. Praktische toepassing:

Bepaling van de belastingslijn :

Op de fig. hieronder werd deze in het rood getekend. De schakeling hiernaast werd gebruikt om deze fameuze lijn te tekenen. De voedingsspanning Vcc staat voor de collector (V2 op het schema). Nu gaan we de collectorstoom berekenen:

Vcc – Vce
Ic = ___________
Rc

Wat uitleg :
Door de weerstand Rc vloeit de stroom Ic. Om deze te kennen moeten we de spanningsval over deze Rc kennen: KIRCHOFF op die gesloten kring toepassen (som der bronspanningen ….enz).

Als het nog nodig zou zijn kunnen we het schema voor de duidelijkheid hertekenen.
Vcc is duidelijk de som van Vrc eb Vce, waarbij Vrc de spanningsval is over de weerstand waardoor Ic vloeit. De spanning over de transistor is Vce.
Even de wet van Ohm toepassen en het wordt duidelijk; het is van groot belang dat je deze gedachtengang goed begrijpt.

We weten dat Ic = (Vcc-Vce) / Rc is.
We nemen nu de hypotenusa van fig: voor Vce = 0, Ic wordt = Vcc/Rc. Dit punt is het saturatie of verzadigingspunt van de transistor.
Stel nu Ic=0 dan is Vce = Vcc, en dit is het blokkeerpunt van de transistor.
Dank zij deze twee bijzondere punten trekken we de belastingslijn van de transistor. Je ziet ze hieronder in het rood:

Wat leren we uit deze figuur ?

Uit de collectorgrafiek leren we dat we twee belangrijke punten hebben:

het verzadigingspunt:

en het blokkeerpunt.

Het verzadigingspunt is dat punt waar Vce ongeveer nul Volt benadert. Dit kan door de spanningsval over Rc. Bemerk dat als we Rc groter nemen, Vce kleiner wordt.
(Vce= Vcc -Rc.Ic)

Hierdoor kan de transistor de functie van schakelaar krijgen: je kan hem zo aansturen dat hij compleet OPEN of GESLOTEN is. OPEN krijgen we als we de transistor in sper sturen. In verzadiging is de de transistorschakelaar GESLOTEN. Bij onze proef hebben we geen tussenliggende stappen aangenomen, maar je voelt beslist aan dat door sturing op de basis die tussenliggende punten wel kunnen aangesproken worden. Bij versterkers is het aangeraden om deze twee besproken punten (sper en verzadiging ) te vermijden en de transisor in het lineaire gedeelte van de lijn in te stellen. Immer in deze punten zal Ib niet meer correct IC regelen en zal er dus vervorming optreden.

Het blokkeerpunt is d�t punt waar Vce de voedingsspanning bereikt of gelijk aan Vcc wordt. Er zal geen stroom doorheen de collector kunnen vloeien. Voor dit punt stellen we vast dat Ib gelijk is aan nul (ook een transistor is niet perfect, er vloeien in praktijk lekstromen die de toestand enigszins veranderen).

We onthouden :

De collectorstroom hangt van de basisstroom af. De emitterstroom is gelijk aan de som van collector en basisstroom. Ib valt in vergelijking met IC zeer klein (β ) uit (en wordt daarom meestal verwaarloosd).
Een transistor die als schakelaar wordt gebruikt werkt in de twee bijzondere punten, namelijk het sper- en het verzadigingspunt.
De belastingslijn wordt door deze twee punten bepaald.
De transistor aansturen doen we door de basisstroom te beïnvloeden volgens de gewenste stroom. De temperatuur kan een spelbreker zijn, maar bij degelijk ontwerp wordt hiermee rekening gehouden.

Vcc – Vce
Ic = ___________
Rc


verzadiging : Vcc/Rc
sper : Vcc = Vce

Mogelijk is dit alles nog wat wazig maar geen nood, stilaan zal de mist wel optrekken. Nog even volhouden dus: het volgend stuk vult dat deze stof verder aan en is minder abstract en beter geïllustreerd met voorbeelden.

Bekijken we de zaak vanuit de stuurelectrode of de basis:

In het schema links is de basis/emitter-overgang voorwaarts gepolariseerd en dit vanaf V1 doorheen Rb. Hierdoor wordt een kleine stroom Ib veroorzaakt. Het transistor- effect zorgt ervoor dat Ib volgens de stroomversterkingsfaktor β vanaf de collector vloeit , namelijk Ic.

Hertekenen we het schema op een gelijkaardige manier als voor de collector. Zie links.
Vb is de voedingsspanning van de basis, Rb is de serieweerstand in de basis met Vb en Vbe is de spanning over de basis/emittorovergang van de transistor.
We gaan de basisstroom in de transistor bepalen.

De basisstroom is gelijk aan de spanningsval over de weerstand Rb gedeeld door de waarde van Rb.
Vrb
Ib = _________
Rb

Wat algebra geeft ons Vrb : dit wordt Vrb = Vb – Vbe.

De basisstroom volgt:

Vb – Vbe
Ib= __________
Rb

Werkelijk niet moeilijk !

Het moeilijkste is nu voorbij. We kunnen nu met meer concrete toepassingen doorgaan in het volgend hoofdstuk.