Znak:9012P Izdanje:
Inž. ALFRED ŽIDAN - Inž.BOŽIDAR MILOBAR SPOJEVI S TRANZISTORIMA, I. knjiga X. izdanje
Izdavač:
Izdavačko trgovačko poduzeće TEHNIČKA KNJIGA
Zagreb, JuriSićeva 10 Za izdavača:
Inž. Zvonimir Vistrička Urednik izdanja: Mr. Željko Horvatić Lektori:
Zvonko Veljačić i Josip Živković Tehnički urednik:
Inž. Tomislav Strujić Tisak:
Birografika, Subotica Tisak dovršen: U OŽUJKU 1990.
Tiskano u 2000 primjeraka
©1967, Inž. A. Židan — Inž. B. Milo bar YU ISBN 86-7059-116-2
N G . A L F R E D Ž I D A N — I N G . B O Ž O M I L O B A R
SPOJEVI S
TEHNIČKA KNJIGA ZAGREBTRANZISTORIMA
SHEME ZA SAMOGRADNJU
PRVA KNJIGA
DESETO IZDANJEDomaća izdanja ove knjige:
Spojevi s tranzistorima I - Tehnička knjiga, Zagreb, 1. izdanje 1967., 2. izdanje 1975., 3. izdanje 1976., 4. izdanje 1977., 5. izdanje 1979., 6. izdanje 1981., 7. izdanje 1984., 8. izdanje 1986. i 9. izdanje 1987. Inozemna izdanja u prijevodu:
Uktady tranzystorowe dla radioamatorow I - Wydawnictwa Komuni*
kacji i Lacznošci, Warszawa.
Radioamatenke prtstroje s tranzistormi i - Nakladatelstvo ALFA,
Bratislava.
JhofiuTencKu TpaH3UCTopnu cxeMU I — XUpacaBHO H3aaiencTBO ”Te- XHHKa'\Co4>HH.
Tranzisztorkapcsolasok Amatoroknek f—Mmzaki Konyvkiado, Budapest. Radioamaterske prfstroje s tranzistormi I - Nakladatelstvo ALFA, Bra
tislava, druhe nezmenene vydanie.
Uktady tranzystorowe dla radioamatorow f - Wydawnictwa Komunika-
PREDGOVOR DESETOM IZDANJU
Veliki interes koji i dalje vlada za ovu prvu knjigu SPOJEVI S TRANZISTORIMA jak je razlog da se objavi i njeno deseto jugoslavensko izdanje u nepromijenjenom obliku. Proširivanje teksta nije provedeno zato jer su novi spojevi objavljeni u drugoj knjizi SPOJEVI S TRANZISTORI
MA kao i u prvoj i drugoj knjizi SPOJEVI S INTEGRIRANIM SKLO POVIMA koje su obje već u prodaji. Priprema se za tisak treća knjiga SPOJEVI S INTEGRIRANIM SKLOPOVIMA, a piše se i treća SPOJE
VI S TRANZISTORIMA. U njima će biti na pretek raznoraznih spojeva s tranzistorima i integriranim sklopovima, kao i uputa za praktičan rad s poluvodičima svih vrsta.
U Zagrebu, u ožujku 1990.
Autori
PREDGOVOR IZDAVAČA PRVOM IZDANJU
Rijetko je koji novovjeki izum unio toliku revoluciju u stanovito područje tehnike, kao što su to učinili tranzistor i njemu srodni polu vodički elementi u radio-tehnici i elektronici. Njihova je pojava zahti jevala mijenjanje spojne tehnike, te dovela do konstrukcije različitih, posve novih uređaja i naprava. Razvoj poluvodičkih elemenata tekao je tako naglo, da ga većina tehničara i amatera nisu uspijevali pratiti, naročito ne na praktičkom području, pa se tako dogodilo da je tehni čare i amatere »starijeg kova« vrijeme naprosto pregazilo i oni su se stoga odlučili da ostanu pri klasičnim izvedbama i klasičnoj tehnici. Pogotovo se u nas primjena poluvodičkih elemenata nije prakticirala paralelno s njihovom pojavom u stručnoj literaturi, jer su se oni tamo razmatrali jedino s posve teoretske strane, te su tako i oni malobrojni, koji su se htjeli baviti gradnjama, ostali prepušteni uglavnom sami sebi, odnosno upućeni na dosta oskudnu literaturu s tog područja,
■
uglavnom u stručnim časopisima. Velik broj pojedinaca nije se opet upuštao u gradnje s tranzistorima naprosto zato što su se, nepozna- vajući to, bojali pristupiti tom novom, sićušnom i za njih tajanstve nom elementu.
Poznavajući naše prilike u tom pogledu, odlučili smo izdati jedno djelo-priručnik, u kojem se sistematski tretira primjena tranzistora na svim mogućim područjima. Angažirali smo dva naša poznata struč njaka, A. Zidana i B. Milobara, koji se praktički bave poluvodičkim elementima, počev od njihova postanka unatrag svojih 18 godina, da sastave zbirku shema po kojim bi bilo moguće izraditi sve vrsti tran zistorskih uređaja, bilo za amaterske, bilo za profesionalne svrhe. Tako su svi rezultati gotovo petogodišnjeg eksperimentiranja, pri čemu su • praktički realizirani razni uređaji, sakupljeni u ovom priručniku, za koji se punim pravom može reći da je nastao iz prakse za praksu. S obzirom na to on znači izvjesnu rijetkost, jer se čak ni većina inozem nih izdanja ne može pohvaliti činjenicom da su praktički iskušani svi spojevi koji se u njima pojavljuju.
Pri obradi materije autori su započeli od najjednostavnijeg ure đaja — detektorskog prijemnika — a završili s kompliciranijim ure đajima kao što su, na primjer, elektroničke preklopke za katodne osci- lografe ili sklopovi za automatsko korigiranje frekvencije oscilatora u FM prijemnicima. Pri konstrukcijama se išlo za time da se upotrijebe što dostupniji sastavni dijelovi, te po mogućnosti tranzistori domaće proizvodnje. Iako su neki spojevi ipak iskušani s inozemnim tranzisto rima ne čini to poteškoće, jer su na kraju knjige navedene sugestije za njihovu zamjenu s domaćim tranzistorima, ukoliko se takvi proizvode.
Da bi knjiga bila pristupačna svakome tko želi izraditi neki ure đaj s tranzistorima, u uvodu su kratko i sažeto opisani tranzistori i njihovi osnovni spojevi, kako se to ne bi moralo tražiti u knjigama koje tranzistore razmatraju strogo teoretski, što bi moglo djelovati odbojno na stanovit krug interesenata. Na kraju knjige dane su neke korisne upute o praktičnom rukovanju s tranzistorima. Vjerujemo da će ovakvu vrst knjige naši čitaoci prihvatiti isto tako zdušno, kao što ih prihvaćaju svagdje u svijetu. Želimo im mnogo uspješnih pokusa i razonode s uređajima čije su sheme spojeva opisane!
S A D R Ž A J
PRVO POGLAVLJE: USPOREDBA ELEKTRONKA—TRANZISTOR
Kako funkcionira tranzistor ... 15
Tehnika spajanja tranzistora... 24
Karakteristike tranzistorskih stupnjeva... 27
Radna točka tranzistora i temperaturna stabilizacija... 28
Komplementarni tranzistori... 31
Vrste tranzistora ... 32
Ostali poluvodiči ... 34
Integrirani sklopovi ... 37
DRUGO POGLAVLJE: PRIJEMNICI Detektor s NF pojačalom... ... 47
Jednostavni prijemnik . . . •... *. • ■ 48
Jednostavni prijemnik s komplementarnim tranzistorima ... 49
Audion s reakcijom... 49
Prijemnici bez baterija... 51
Supcrreakcijski prijemnik za KV područje... 53
Prijemnik za kratke ili ultrakratke valove... 54
Superreakcijski prijemnik za ultrakratke valove... 55
Jednostavni refleksni prijemnik (I) 56
Jednostavni refleksni prijemnik (II)... 57
Refleksni audion s NF pojačalom... 59
Samooscilirajući ulazni stupanj za srednji val... 60
Samooscilirajući ulazni stupanj za kratki val ... 61
UKV tjuner za frekvenciju od 80 do 100 MHz ... 63
UHF konverter za televizore... 64
Ulazni stupanj — prvo MF pojačalo za AM^FM prijemnik ... 67
Međufrekventno pojačalo i demodulator za 455 kHz ... ... 68
Međufrekventno pojačalo za 10,7 MHz .... ... 72
Kombinirano MF pojačalo za 455 kHz/10,7 MHz... 74
AM/FM međufrekventno pojačalo s keramičkim MF filtrom . . 75
Međufrekventni stupanj s keramičkim filtrom i demodulatorski stupanj ...„ 76
Ratio-detektor ... 77
Fazni diskriminator ... 78
Stereodekoder (I) 79
Stereodekoder (II) ... 81
Indikator stereoprijema ... 83
TREĆE POGLAVLJE: NISKOFREKVENTNA POJAČALA Jednostavna NF pojačala za slušalice... ... 85
Dvostepeno NF pojačalo za slušalice . ... ... 86
Niskofrekventno pojačalo snage 250 mW ... 87
Niskofrekventna pojačala snage u klasi A... 88
NF pojačalo 2 ... 3 W ... 90
NF pojačalo snage 1W bez izlaznog transformatora (I) . . . . 92
NF pojačalo snage 0,2/0,5 W bez izlaznog transformatora (II) . 94 NF pojačala s komplementarnim izlaznim stupnjem... 95
Pojačalo Hi-Fi 15 W... 96
NF pojačalo s integriranim sklopom... 98
NF pretpojačalo s dva ulaza... 99
NF.pretpojačalo s dva ulaza i regulacijom boje tona u izvedbi s integriranim sklopom... 100
NF pojačalo sa FE-tranzistorom ... 100
ČETVRTO POGLAVLJE: MJERNI UREĐAJI Tranzistorski voltmetri ... 103
Tranzistorski voltmetar s jednim tranzistorom ... 104
Tranzistorski voltmetar s dva tranzistora (I) ... 105
Tranzistorski voltmetar s dva tranzistora (II) ... 105
Jednostavni elektronski voltmetar sa FE-tranzistorom... 106
Tranzistorski omometar . •... 107
RC-mjemi most... 108
Signal-generator ... 109
UKV signal-generator... Ill Sljedilo signala i signal-injektor ... 112
Signal-injektor s jednim tranzistorom... 113
Signal-injektor s dva tranzistora... 115
Ispitivalo s tinjalicom ... 116
Schmittov okidač (Schmitt-trigger) ... 117
* Schmittov okidač za više napone... 120
• Schmittov okidač za uređaje za mjerenje brzine vrtnje . . . . 120
Elektronička preklopka za oscilografe (I) 122
Elektronička preklopka za oscilografe (II)... 123
Generator šuma s diodom ... 127
Elektronički voltmetar s MOSFETOM ... 128
RC-generator s integriranim sklopom... 130
PETO POGLAVLJE: OSCILATORI Niskofrekventni LC-oscilator ... 131
Multivibrator s komplementarnim tranzistorima... 132
RC-oscilatori za tonsku modulaciju... 133
Generatori pravokutnih napona...^... 135
Generator pilastog napona (I) ... *... 136
Generator pilastog napona (II)... '... ... . 136
Linearizacija pilastog napona... 137
Kvarcni oscilator ... 139
Kvarcni oscilator u Pierceovom spoju ... 139
Kvarcni oscilator za standardnu frekvenciju od 100 kHz (I) 140 Kvarcni oscilator za standardnu frekvenciju od 100 kHz (II) . . 141
Generator baždamih frekvencija od 100, 10 i 1 kHz... 142
Oscilator s keramičkim filtrom... 144
ŠESTO POGLAVLJE: KV I UKV UREĐAJI ZA AMATERE Superreakcijski prijemnik za 144 MHz... 145
BFO-oscilator ... 146
BFO-oscilator s kapacitetnom diodom ... 147
Q-multiplikator ... 148
CW filtar... 151
CW-monitor ... 151
Tonski oscilatori za učenje Morseovih znakova... 152
Elektroničko tipkalo ... 154
Apsorpcijski valomjer ... 156
Tranzistorski dip-metar... 158
SEDMO POGLAVLJE: AMATERSKA ELEKTRONIKA Vremenska sklopka... 161
Osjetilo vlage... 162
Osjetilo za dojavu prekida ... 163
Univerzalna eksperimentalna kutija... 164
Akustički relej ... '... 166
Elektronički žmigavac... ... . .. ... 167
Elektroničko blijeskalo sa tranzistorskim pretvaračem s automa-tikom ... 169
Tranzistorska automatika za naknadnu ugradnju u elektroničke blijeskalice ... . . . 171
Geiger-Miillerov indikator... 173
Elektronička glazbala... 175
Tremolo-uređaj za elektronička glazbala ... 175
IzobliČilo zvuka... 177
Dodatak Vaa-Vaa električnim gitarama... 178
Elektroničko ritmičko glazbalo... 179
.Komuniciranje pomoću infracrvenih zraka... 180
Uređaj za mjerenje brzine vrtnje benzinskog motora (elektroni čki tahometar) ... 182
Spoj za udvostručenje frekvencije ... 184
Impulsni relej ... 185
Sklop za identifikaciju polariteta... 186
Temperaturni relej ... 187
Uređaj za povremeno uključivanje brisača stakla na automobi lima ... 188
Regulacija brzine i smjera vrtnje motora za modele električnih Željeznica ... 190
Modulatori svjetla za dobivanje svjetlosnih efekata... 191
Prikaz primjene LED-displeja u uređaju za generiranje loto- -brojeva ... 194
OSMO POGLAVLJE: SPOJEVI S RAZNIM POLUVODIČKIM ELEMENTIMA Automatsko korigiranje frekvencije oscilatora s kapacitetnom diodom ... 201
Fotorelej s fotodiodom... 202
Osjetljivi fotorelej sa fotodiodom... 203
Oscilatori s tunelskom diodom... 204
Multivibrator s tunelskom diodom i tranzistorom... 207
' Jednostavni fotorelej s fototranzistorom... 208
- Fotorelej s fototranzistorom i stupnjem za pojačanje... 209
Schmittov okidač s fototranzistorom... 210
Spojevi s UJ-tranzistorima ... 211
Spojevi s tiristorima ... ... 213
Regulacija brzine vrtnje električnih bušilica ... 217
Regulator svjetloće žarulja... 219
Uređaj za uključivanje osjetljivih trošila... 220
Intervalni brisač automobilskih stakala ... 222
Vremenska sklopka s MOSFETOM... 223
DEVETO POGLAVLJE: TEHNIKA NAPAJANJA STRUJOM Niskonaponski ispravljači s tranzistorom umjesto prigušnice - . 225 Niskonaponski ispravljač stabiliziran tranzistorom i Z-điodom 228 Niskonaponski ispravljač stabiliziran tranzistorom... 230
Stabuizirani izvor napajanja $ nekoliko fiksnih vrijednosti napona . . . . 232
Stabilizirani ispravljač s reguliranjem izlaznog napona... ... 233
Spoj za ograničenje struje... 234
Elektronički osigurač... 235
Spojevi za konstantne stnije... 237
Tranzistorski pretvarač za izmjenični napon 220 V-50 Hz-50 W (I) . 241 Tranzistorski pretvarač za izmjenični napon 220 V-50 Hz (II)... 242
Pretvarač za pogon brijaćih aparata iz akumulatora... 244
Pretvarač za 75 V... 246
Pretvarač za visoki napon od 500 V... 247
Stabilizirani ispravljač za dobivanje simetričnih napona za operaciona pojačala... 249
DESETO POGLAVLJE: ISPITIVANJE TRANZISTORA 1 DRUGIH POLUVODIČKIH ELEMENATA Brzo provjeravanje ispravnosti tranzistora... 251
Provjeravanje ispravnosti tranzistora u uređajima ... 253
Mjerenje pojačanja za istosmjernu struju... 255
Sum tranzistora... 258
Preostale struje tranzistora... 258
Statičko ispitivanje tranzistora ... 259
Uređaj za statičko-ispitivanje (I)... 259
Uređaj za statičko ispitivanje (U)... ... 260
Jednostavni uređaj za statičko ispitivanje tranzistora ... 262
Dinamičko ispitivanje tranzistora... 263
Uređaj za dinamičko ispitivanje (I) . . . ... 263
Uređaj za dinamičko ispitivanje (II) ...:... 265
Poboljšanje očitavanja na skali . . ... 266
Jednostavni uređaj za dinamičko ispitivanje tranzistora... . 267
Ispitivanje dioda... 268
Brzo provjeravanje ispravnosti dioda... 271
Brzo provjeravanje ispravnosti tiristora... 272
Ispitivalo za dinamičku provjeru tranzistora... 273
Ispitivalo FE-tranzistora... 274
Ispitivanje probojnog napona dioda... 275
JEDANAESTO POGLAVLJE: POSTUPAK PRI RADU S TRANZISTORIMA Lemljenjc . . .... ... 277
Pripremanje tranzistora i dioda za ulemljivanje u spojeve... 283
Označavanje izvoda... 283
Zaštita tranzistora od previsoke temperature za vrijeme pogona... 284
Postupak pri radu s MOSFE-tranzistorima... 287
Zaštita tranzistora od prenapona... 289
DVANAESTO POGLAVLJE: IZRADA ŠTAMPANIH PLOČA U AMATERSKOJ PRAKSI Materijal za štampane ploče... 291
Gotove Štampane ploče... 292
Prenošenje predloška montažne sheme na bakarni sloj... 293
Jetkanje ploča kaširanih bakrom...,... 295
Foto-postupak... 297
Izrada Štampanih spojeva postupkom "CIRCUIT-STIK"... 301
Bušenje Štampanih pločica... 301
Lemljenje na štampanim vodovima... .-... 301
TRINAESTO POGLAVLJE: RAZNI SPOJEVI S POLUVODIČKIM ELEMENTIMA Sirena s UJ-tranzistorom... 303
Korekcijsko pretpojačalo za gramofon... 304
Akustička indikacija rada žmigavaca na automobilima... 304
Kontrola napona programiranim UJ-tranzistorom... 305
Relaksacijski oscilator sa PUT-om... ... 307
Žmigavac sa PUT -om i tiristorom... 307
Pulzirajuća STOP-SVJETLA na automobilima... 308
Regulacija napona ispravljačkog mosta ... 310
Rezervno napajanje... 311
Vremenski usporena regulacija rasvjete... 312
Aktiviranje trijaka preko optoelektroničkog veznog elementa... 313
Praktičan izvor konstantne struje... 314
Aktiviranje releja preko optoelektroničkih veznih elemenata... 315
Dobivanje pravokutnog napona frekvencije 100Hz... 316
Povećanje ulaznog otpora tranzistorskih sklopova... 317
Simetrični izlazni stupanj . . . ... 318
ČETRNAESTO POGLAVLJE: PRIJEDLOZI ZA ZAMJENU NEKIH POLUVODIČKIH ELEMENATA... 321
Usporedba
elektronka-tranzistor
Tranzistor je jedan, od rijetkih izuma koji je već nekoliko godina po svom otkriću doživio sveopću uspješnu primjenu. Njegov se rad zasniva na poluvodičima koji su već odavna poznati i s obzirom na radove koji su ranije vršeni, do konstrukcije tranzistora zapravo je trebalo doći mnogo prije. Na tome, da se s kristalima postignu poja čanja struja i napona radilo se desecima godina i mnogi su bili već jako blizu rješenja, no kao stvarni datum rođenja poluvodičkog ele menta za pojačavanje prihvaćen je lipanj 1948. godine.* Tada su naime učenjaci iz Bell Telephone Laboratories obavijestili javnost da je pro nađen poluvodički element nazvan t r a n z i s t o r , koji obavlja sve funkcije normalne troelektrodne elektronke-triode. Taj prvi tzv. točka sti tranzistor ili tranzistor sa šiljkom nije se mnogo razlikovao od kristalnih dioda i umjesto jednog šiljka uhođenog u kristal imao je dva. Ispoljavao je gotovo više mana negoli dobrih strana, a tek je tzv. slojni tranzistor, konstruiran godinu dana kasnije, pokazao niz prednosti koje i današnji tranzistori imaju nasuprot elektronki. Točno uzevši, neke mane tranzistora nisu ni danas uklonjene, tako da još uvijek postoji razgraničenje pretežnog područja upotrebe tranzistora i elektronki. Tranzistor je elektronke potisnuo s mnogih područja, no ipak ih sa nekih, prema sadašnjoj situaciji, neće tako brzo potisnuti. Danas, na primjer, bez tranzistora, ne možemo zamisliti neki novo- konstruiran prijenosni radio-prijemnik na baterije, ali isto tako niti jaki radio-difuzni odašiljač opremljen tranzistorima, jer još nema tran zistora koji bi mogao zamijeniti odašiljačku elektronku snage nekoliko stotina kilovata. .Kao prednost tranzistora nasuprot elektronkama mogli bismo nabrojiti: male dimenzije, jednostavna konstrukcija, mali vlastiti šumovi, velika otpornost na neke mehaničke utjecaje, nije ga potrebno žariti, visoka trajnost, male smetnje zbog utjecaja magnet skih polja, malen pogonski napon, nema mikrofoni je i konačno, velika korisnost zbog toga što nije potrebna energija za žarenje.
* Vidi članak A. Zidana: Tranzistor — kristalna trioda u »Elektrotehničaru«
No tranzistori imaju i mane, među koje spadaju: velika ovisnost o temperaturi, velike tolerancije podataka među primjercima istog tipa, nizak pogonski napon što pri tranzistorima velike snage kadgod smeta, osim kod nekih rijetkih specijalnih tipova, nema mogućnosti višestrukog upravljanja, na nosioce naboja ne može se kod normalnih izvedbi tranzistora utjecati vanjskim električnim ili magnetskim po
ljima.
Osvrnut ćemo se podrobnije najprije na njihove dobre strane. Može se reći da je u pravcu smanjenja njihovih dimenzija postignut po željni maksimum jer danas već ima tranzistora koji se jedva vide prostim okom. Međutim smanjenju dimenzija elektronki iz mnogih je razloga postavljena granica — najnovije elektronke još su uvijek ne koliko puta veće od normalnog tranzistora. Na primjer, odnos volu mena balona najčešće upotrebljavane elektronke za NF pojačanje (ECC81) i kućišta tranzistora za NF pojačanje normalne veličine (AC 550) iznosi otprilike 1 : 85.
Zbog jednostavne konstrukcije moguća je jeftina masovna proiz vodnja tranzistora, a trajnost (životna dob) im je neuporedivo veća nego elektronki, Što je dobrim dijelom zasluga njihove konstrukcije, jer se u njima struje dobivaju iz osnova drugačijim načinom nego u elektronkama. Od pojave tranzistora pa do danas proteklo je premalo vremena da bi se mogla dati definitivna ocjena prosječne trajnosti, no mišljenja smo da se podatak o prosječnoj trajnosti u rasponu od 50000 do 100000 neprekidnih pogonskih sati može smatrati realnim. Nadalje, suprotno onome što većina vjeruje šumovi u (dobrim) tran zistorima manji su nego u elektronkama prvenstveno zahvaljujući činjenici da u tranzistoru nema dijelova s visokom pogonskom temperaturom kao Što je, na primjer, katoda u elektronkama. Iako tranzistor nije izraziti element otporan na mehaničke udarce (shok- -proof), ipak i prosječni tipovi mogu uspješno izdržati centrifugalnu silu, ubrzanje i slične utjecaje u mjeri pri kojoj bi podlegao elektrodni sistem svake elektronke. Zahvaljujući njihovim malim dimenzijama, tranzistore prikladne konstrukcije može se upotrebljavati na frekven cijama višim nego što podnose elektronke normalne izvedbe. Elektron ke koje bi bile pogodne za rad na vrlo visokim frekvencijama morale bi biti vrlo male, no to smanjenje ima granice koje postavlja pogonski napon. S obzirom na svoju konstrukciju tranzistor može raditi i s po gonskim naponima manjim od jednoga volta, dok do sada u praksi najniži upotrebijeni pogonski napon elektronki iznosi 6V i to onih specijalne konstrukcije. Usporedimo li utrošak snage tranzistora i elektronki pri pogonskom naponu od 6 V, ustanovit ćemo da tranzistor ima mnogo veću korisnost (stupanj djelovanja) jer obavlja isti rad kao elektronka, a ne troši snagu za žarenje. Za primjer navodimo da speci jalna dvostruka dioda-pentoda EBF 83 pri anodnom naponu od 6,3 V troši snagu od 0,02 W, dok je za zagrijavanje katode potrebna snaga od
2 W, dakle 100 puta veća. Naravno da je korisnost ovakve elektronke vrlo mala, što je naročito nepovoljno pri napajanju iz baterija.
Uzgred rečeno, u konstrukcijama s tranzistorima nema efekta mikrofonije niti utjecaja vanjskih magnetskih polja, zapravo ti utjecaji nisu veći od utjecaja koji takva polja imaju na ostale (pasivne) ele mente nekog uređaja.
A sada još nekoliko riječi o lošim stranama tranzistora, koje su zapravo samo uvjetno loše, jer se neke prikladnim mjerama mogu ukloniti. Najveća mana tranzistora — osjetljivost na promjene tempe rature — može se umanjiti ili Čak posve ukloniti posebnim mjerama koje nazivamo termičkom stabilizacijom. Slično vrijedi i za upotrebu tranzistora čiji se podaci od primjerka do primjerka istog tipa jako razlikuju (velike tolerancije). Sklopovi se posebnim zahvatima (nega tivna reakcija) mogu izvesti tako da se pri zamjeni takvih tranzistora pogonske prilike stabiliziraju automatski. Niski pogonski ilapon tran zistora, koji mu je velika prednost, nekad mu je i mana, na primjer onda ako su potrebne vrlo velike snage, recimo od nekoliko kilovata. Uz nizak pogonski napon struje tada poprimaju goleme iznose, što uzrokuje razne poteškoće. I tu valja sačekati daljnji razvoj, jer danas su već poznati tranzistori normalne izvedbe pogonskog napona od 350 V, a izrađeni su i laboratorijski primjerci tranzistora za pogonski napon od 1000 volti i struje od nekoliko stotina ampera. Naročito per spektivni su u tom pravcu silicijski tranzistori, koji osim toga podnose još i približno dvostruko više temperature od germanijevih tranzi stora. Višestruka upravljanja poput onih u elektronkama s više rešetki mogu se postidi specijalnim poluvodičkim elementima kakvi su, na pri mjer tranzistorske tetrode i slični, no oni se u praksu nisu naročito probili. Isto za sada vrijedi i za upravljanje s vanjskim električnim poljima, dok su u pogledu upravljanja s magnetskim poljima več pos tignuti značajni rezultati (Hallov generator, magnetootpomik, magneto- dioda, magnetotranzistor).
KAKO FUNKCIONIRA TRANZISTOR
Nije zamišljeno da se u ovoj knjizi obrađuje teorija rada i funkcio niranja tranzistora, pretpostavlja se da čitaoci već nešto o tome znadu, pa bismo ih zato samo ukratko podsjetili na najhitnije i najvažnije. Ujedno ćemo spomenuti neke termine (nazive) koji se često pojavljuju u vezi s poluvodičkim sastavnim elementima.
Budući da se tranzistori izrađuju pretežno od elemenata: germa- nija ili silicija, razmatrat ćemo jednoga od njih, na primjer germanij. Ako uzmemo komadić (kockicu) kemijski čistog germanij a i priklju čimo ga na napon, ustanovit ćemo da kroz njega prolazi samo
ne-znatna struja, što i nije čudno, jer čisti germanij spada među loše električne vodiče. Vodljivost germanija može se međutim izvanredno povećati ako mu se dodaju neznatne primjese nekih određenih eleme nata. Dodamo li germaniju aluminij, galij, indij ili bor, dakle trova- lentne elemente, dobit ćemo germanijev poluvodič takozvanog P-tipa, jer mu manjkaju elektroni. Na mjestima gdje bi se oni inače trebali nalaziti nalaze se sada » š u p l j i n e « koje nazivamo i d e f e k t n i m e l e k t r o n i m a , jer imaju naboj jednak naboju elektrona ali suprot na predznaka; šupljine su dakle pozitivne. Ovi trovalentni materijali, kojima u odnosu na germanij (koji je četverovalentan) manjkaju elek troni, nazivaju se a k c e p t o r i i l i p r i m a o c i , jer mogu primati elektrone. Ako pak čistom germaniju dodamo primjese antimona, ar sena ili fosfora, dakle petero valentne elemente, vodljivost će mu se ta kođer povećati, ali kako povećanje vodljivosti uzrokuje višak elektrona pridodanih elementu, dobit ćemo germanijev poluvodič tzv. N-tipa. Radi viška elektrona koje daju, ove peterovalentne elemente za primjesu na zivamo d o n o r i m a (donatorima) ili d a v a o c i m a . U poluvodičima N-tipa vodljivost se dakle postiže elektronima, pa su oni prema tome v e ć i n s k i (majoritetni) nosioci naboja, za razliku od m a n j i n s k i h (minoritétnih) koji su ovdje šupljine. U poluvodičima P-tipa manjinski nosioci naboja su elektroni. Dodavanje primjesa u kemijski čiste kris tale nazi vi jemo d o t i r a n j e .
SI. 1—1. Struja u propusnom SI. 1—2. Struja u zapornom
smjeru smjeru
Ako sastavimo dvije kockice poluvodičkog germanija različitog tipa ( P i N ) , a njihove slobodne vanjske plohe spojimo preko priklad nih elektroda na izvor napona, utvrdit ćemo interesantnu pojavu: Ako pozitivni pol izvora struje spojimo na P-germanij, a negativni pol na N-germanij, u krugu će poteći relativno velika struja (slika 1-1), a na protiv vrlo mala ako zamijenimo polaritet priključenog napona (si. 1-2).
U prvom slučaju veliku struju dobivamo zbog toga što su se na tzv. P-N prijelazu (PN-sloju) sakupili slobodni elektroni i šupljine u oba komadića germanija, pa je otpor prijelaza vrlo malen i to omogućuje jaku struju. Na tom prijelazu spajaju se šupljine i elektroni, a ta se pojava naziva r e k o m b i n a c i j a. To je dakle ponovno sjedinjenje elektrona s defektnim elektronom. Pri svakoj rekombinaciji s lijevog kraja P-germanija ulazi u pozitivni vod, dakle i u bateriju, po jedan elektron, pa tako istovremeno nastaje nova šupljina koja putuje prema N-poluvođiču. Tako se zapravo i- putovanje šupljina unutar samog poluvodiča u vanjskom krugu manifestira kao tok elektrona, dakle kao električna struja.
Međutim istovremeno i jedan elektron izlazi iz izvora struje te spojnim vodom dolazi do N-germanija, kroz koji se kreće do PN prijelaza.
U drugome slučaju, tj. pri promjeni polariteta napona, šupljine i elektroni sakupljaju se prema vanjskim plohama pa je otpor PN-pri- jelaza velik i prema tome struja jedva da postoji. Smjer u kojem se
dobiva jaka struja nazivamo p r o p u s n i smjer poluvodičkog elemen ta, a smjer u kojem ne teče struja n e p r o p u s n i i l i z a p o r n i smjer. Mala struja koja se pojavljuje kad je poluvodički element zapo- ran naziva se z a p o r n a s t r u j a . Opisana kombinacija dvaju polu vodiča različitog tipa poznata je pod nazivom poluvodička slojna dioda. Kao osnovni materijal može se umjesto germanija upotrijebiti i silicij, koji u odnosu na germanij ima neke prednosti.
Napominjemo da smo zbog jednostavnosti u poluvodičkim kocki cama shematski ucrtali samo nosioce naboja — šupljine i elektrone
u obliku kružića i točkica. Zapravo, oko njih bi još trebalo ucrtati po zitivne i negativne atome, dakle ione, no kako oni za ova razjašnja vanja nisu značajni, izostavljeni su.
Budući da poluvodička dioda s obzirom na priključene napone djeluje kao električki ventil, ona će prigodom priključivanja
izmje-ničnog napona djelovati kao ispravljač, pa ćemo na opteretnom otporu (trošilu) dobiti ispravljen napon (slika 1-3). U pozitivnoj poluperiodi dobiva se relativno velika struja, a u negativnoj neznatna, praktički zanemariva struja. To je i jedina razlika u radu poluvodičke diode i elektronke, u kojoj zaporna struja ne postoji.
Toliko o poluvodičkim diodama pomoću kojih smo saznali nešto o tome Što se dešava unutar poluvodiča. Upoznali smo se i s nekim terminima s tog područja, a sve ćemo to sada iskoristiti za proučavanje načina rada tranzistora.
Tranzistor nastaje tako da se uzmu dvije kockice P-poluvodiča, a između njih stavi poluvodič N-tipa. Prema kombinaciji poluvodiča tranzistor dobiva pobliži naziv, pa bi ovo bio PNP-tranzistor (slika 14). Tranzistor je dakle poluvodički element sa tri elektrode, od kojih svaka ima svoj naziv. Prva se naziva em i te r, a označava sa E, dru ga je b a z a ( B ) , a treća k o l e k t o r (C). Simbol koji se za takav
SI. 1—4. Prikaz principijelne konstrukcije PNP-tranzis- tora (lijevo) i njegova simbola (desnoj
NPN- TRANZiS TOR
SI, 1—5, Prikaz principijelne konstrukcije NPN-tranz.is- tova (lijevo) i njegova simbola (desno)
PNP-tranzistor upotrebljava u shemama spojeva prikazan je na slici 1-4 desno. Međutim tranzistor možemo sastaviti i obrnuto, da između dva polu vodiča N-tipa umetnemo poluvodič P-tipa, prema slici 1-5, pa tada simbol izgleda nešto drugačije. Budući da u oba tranzistora vanj- ~ ski poluvodici sa srednjima sačinjavaju ranije opisane poluvodičke diode, možemo ovakvu kombinaciju, gledanu sa stanovišta poluvodič kih dioda koje tvore pojedine dionice, simbolički nacrtati onako kako je prikazano na slici 1-6 i to lijevo za PNP-tranzistor, a desno za
NPN-Pt/P-tranzistor NPN-tranztstor
SI. 1—6. Dio dne dionice PNP-tranzistora (lijevo) i NPN-tranzistora (desno)
-tranzistor. Konstruktivno, to za oba tipa izgleda približno onako kako je prikazano na slici 1-7. Mjerimo li otpore simbolički prikazanih dio nica tranzistora na slici 1-6 na primjer omometrom, ustanovit ćemo da između E i B , te između B i C zaista postoji velik otpor ili malen
SI. 1—7. Principijelna konstrukcija sloj nog tran zistora
otpor, što ovisi o polaritetu priključenog napona. Međutim između
C i E uvijek ćemo izmjeriti velik otpor, jer su tu dvije suprotno spo
jene diode, bez obzira na polaritet priključenog napona i tip tranzi stora. Ovo saznanje daje doduše osnovu za provjeravanje ispravnosti
tranzistora (vidi str. 252), ali o samom načinu njegova rada ništa ne kazuje, pa ćemo to zbog toga razmotriti drugačije, u prvom redu eksperimentalno.
Uzmimo za primjer PNP tranzistor prema slici 1-8. Ako između njegovog emitera i baze spojimo izvor struje u propusnom smjeru,
SI. 1—8. Propusna je struja dionice emiter-baza velika
SI. 1—9. Zaporna je struja dionice baza-kolektor mala
dobit ćemo relativno veliku struju koju će pokazivati instrument I I . Priključimo li prema slici 1-9 između baze i kolektora izvor napona većeg iznosa, ali u zapornom smjeru, instrument neće pokazivati ni kakvu, odnosno samo vrlo malu struju. Isto je ako oba izvora napona spojemo između emitera i kolektora (slika 1-10), jer je to za dionicu baza-kolektor i opet zaporni smjer. Rezultati svih triju pokusa logični su, jer su u skladu sa svime što smo rekli u vezi s poluvodičkim
dio-Sl. 1—10. Struja između emitera i kolektora mala je ako baza nije
nigdje priključena
dama, te propusnim i zapornim smjerom. Međutim iznenađenje dolazi onda ako se kombinacija prema slici 1-10 nadopuni spojnim vodom od baze na izvor struje, u koji ćemo zbog kontrole također uključiti
instrument 13 (slika 1-11). Kad bismo zaista imali spoj od običnih dioda kao na slici 1-6 lijevo, tada bismo ovim spojnim vodom zatvorili krug lijeve diode pa bi instrumenti 11 i 13 pokazivali istu struju, tj. propus nu struju lijeve diode E-B, dok bi 12 pokazivao samo zanemarivo malu zapornu struju diode B-C. Činjenica je međutim da pri tranzistoru pri ključivanjem voda baze na izvor struje ne pokazuju iste iznose instru menti 11 i 13, već instrumenti U i 12, dok 13 pokazuje jednu vrlo malu struju. Takozvanim tranzistorskim efektom velika struja iz dio nice EB prenijeta je u dionicu BC, dakle iz kruga malog otpora u krug velikog otpora, pa je zbog toga poluvodički element i dobio takav naziv. Tranzistor je naime kratica od engleskih riječi transfer resistor, a znače prijenos otpora. Budući da u krugovima malog i velikog otpo ra teku jednake struje znači da će, ako uključimo prikladne radne ot pore, promjene struje uz pomoć malih napona u krugu E-B davati u krugu B C na većim radnim otporima veće promjene napona, dobiva se dakle pojačanje napona, a time i snage.
SI. 1—11. Kod priključene baze do- dobiva se u odnosu na spoj prema
si. 1—10 velika struja u krugu emitera i krugu kolektora
Međutim iz toga se ne vidi što se zapravo zbiva u unutrašnjosti tranzistora i kako dolazi do tranzistorskog efekta. To su dosta složeni procesi, no mi ćemo ih ovdje opisati na pojednostavljen način. Priklju čivanjem napona na PNP-tranzistor prema slici 1-11, koji smo ponovno prikazali na slici 1-12, dolazi u skladu s tumačenjima prema slici 1-1 do putovanja šupljina i to u smjeru slijeva nadesno. Komad P-germa- nija koji sa N-germanijem sačinjava propusnu diodu emitira u N-zonu šupljine, pa mu otuda i naziv emiter. Međutim za ubacivanje nosioca naboja u drugu poluvodičku zonu osim naziva emitiranje, upotrebljava se i naziv i n j i c i r a n j e . Baza je u tranzistoru slabo dotirana, što znači da ima vrlo malo slobodnih elektrona, pa tako nastaje relativno slaba rekombinacija šupljina s elektronima. Budući da je rekombinaci- jom izgubljen izvjestan broj elektrona oni se nadomještavaju iz baterije
BI, pa iz nje u bazu teče mala struja elektrona. Sloj baze izvodi se vrlo
(prodi-ranja) šupljina koje nisu doživjele rekombinaciju u desnu P-zonu. To se dešava zbog toga što su šupljine gibanjem kroz lijevu P-zonu dobile izvjesnu brzinu, pa zbog inercije prodiru kroz tanku bazu u desnu P-zonu, a osim toga tamo ih privlači i relativno visok negativni potencijal (šupljine su pozitivne). Na taj način desna elektroda u sta novitom smislu sakuplja šupljine, a kako se sakupljač engleski nazi va kolektor, taj su naziv za ovu elektrodu prihvatili svi. Šupljine koje stižu na kolektor rekombiniraju se s elektronima iz baterije B2, pa tako iz nje u kolektor teče struja elektrona koja je jednaka struji šupljina u unutrašnjosti tranzistora. Da nema tranzistorskog efekta.
tj. kada bi u bazi nastala rekombinacija svih šupljina, struja baze bila bi jednaka struji emitera, a iz baterije B2 tekla bi u kolektor samo vrlo slaba zaporna struja. Obično oko 92 do 99 posto šupljina prodire u drugu P-zonu, dok ih se 1 do 8°/» rekombinira, pa i struja baze iznosi toliki postotak struje emitera. Čim dakle dođe do neutrali zacije šupljine u području baze ili području kolektora, istovremeno se u blizini emitera stvori vezni par pa novonastali elektron putuje preko emitera u bateriju, a šupljina prema bazi, i na taj se način između emitera i kolektora održava stalan dotok šupljina.
U NPN-tranzistorima dešava se slično, samo pri razmatranju na čina rada valja šupljine nadomjestiti elektronima, te okrenuti pola ritet baterija BI i B2. Valja upamtiti da su u PNP-tranzistorima nosioci naboja šupljine, a u NPN-tranzistorima elektroni.
Iz svega što je rečeno proizlazi da je struja emitera jednaka zbroju struje baze i kolektora. Numerički to izgleda onako kako je prikazano ra slici 1-13. Vidimo da je struja kolektora gotovo jednaka struji emitera, od nje se razlikuje samo za malu struju baze. Ako povećamo napon u krugu emitera tako da poteče npr. 50%> jača struja, kroz ko lektor će teći struja od 1,47 mA (si. 1-14), a kroz bazu 0,03 mA (30 pA). S ovakvim spojem, koii se naziva spoj sa zajedničkom bazom jer baza
je zajednička elektroda za oba pogonska napona, pojačanje struje se ne može postići jer je struja u izlaznom, dakle kolektorskom krugu uvi jek manja od struje u ulaznom, emiterskom krugU. No kako je spo menuto, s ovakvim se spojem može postići pojačanje napona i snage. Međutim uz ovakav spoj se ipak upotrebljava naziv strujno pojačanje
a (alfa), što se definira kao omjer između struje kolektora lc i struje
emitera Ie, pa je:
a. — 1q!Ie [—) (I).
Iz ranijeg izlaganja saznali smo da a (slojnog tranzistora) ne može nikada biti veći od 1.
Pojačanje tranzistora prema slici 1-13 je na primjer: a = Ic/h = 0,98/1,0 = 0,98
Pojačanje struje veće od jedan može se međutim postići onda ako se tranzistor spoji tako da mu zajednička elektroda ulaznog i izlaznog
SI. 1—13. Struja u krugu kolek tora manja je od struje u krugu emitera za iznos struje baze
SI. 1—14. Povećanjem napona ba terije BI povećava se struja u
sva tri kruga tranzistora
kruga umjesto baze bude emiter (slika 1-15). Za primjer uzet ćemo isti tranzistor kao na slici 1-13. Ako napon baterije BI odaberemo tako da u krugu baze teče struja od 0,02 mA (20 p.A), onda će u kolektor skom krugu teći struja od 0,98 mA. Vidimo, dakle, da u tome krugu teče mnogo veća struja, pa omjer ulazne i izlazne struje spoja sa za jedničkim emiterom daje faktor strujnog pojačanja 0 (beta):
P = l cl I u - 0,98/0,02 - 49 (2) Beta nam kazuje da će struja (pri pojačanju malih signala) biti u izlaznom krugu baze 49 puta veća od struje u ulaznom krugu. Prema 23
tome, ako se promjenom napona baterije BI struja baze poveća od 20 (J.A na 30 pA, onda će se sa istim tranzistorom struja u krugu ko lektora povećati sa 0,98 mA na 1,47 mA (slika 1-16). Napomenuli bismo
SI. I—15. Struja u krugu kolek tora manja je od struje u krugu emitera za iznos struje baze
SI. 1—16. Povećanjem napona ba terije BI povećava se struja u
sva tri kruga tranzistora
da vrijednosti za a i 3 vrijede samo za kratkospojeni izlazni krug, dakle bez radnog otpora u njemu, odnosno bolje rečeno za stalni napon između kolektora i baze. Između a i 3 postoji određeni omjer, pa ako poznajemo jedan od njih možemo lako izračunati drugi i to prema relaciji:
Osim alfa i beta za istosmjernu struju postoji i a i 3 za izmje ničnu struju, dakle strujna pojačanja za izmjenične struje. Za izraču navanje vrijede također formule (1) i (2), samo u njih valja uvrstiti promjene struje kolektora pri promjenama struja emitera za alfa i promjene struje kolektora pri promjenama struje baze za beta.
TEHNIKA SPAJANJA TRANZISTORA
Ranije smo načinili usporedbu tranzistora i elektronki s obzirom na njihove dobre i loše osobine. Sada ćemo ih još usporediti s obzi rom na način spajanja.
Iz svega što smo do sada doznali o tranzistoru vidimo da između njega i elektronke, bez obzira na to što oboje mogu pojačavati, po stoje velike razlike. Elektronka je element za izrazito pojačanje na pona, jer su joj ulazne impedancije velike, reda veličine megaoma. Tranzistorima je, naprotiv, većinom ulazna impedancija malena, pa su oni uglavnom elementi za strujno pojačanje. Prema tome spojna tehnika elektronki i tranzistora razlikovat će se ponajviše u odnosu na prila gođivanje otpora. No potrebno je istaći još jednu veliku razliku o ko joj u spojnoj tehnici valja voditi računa. Sve elektronke, bez obzira na tip i konstrukciju, dobivaju isti polaritet napona; da se dobije anodna struja anoda mora biti pozitivna, katoda negativna, a smjer prolaza je uvijek od katode prema anodi. Kod tranzistora, kako zna mo, razlikujemo dva tipa, PNP i NPN tip, pa o tome ovisi polaritet priključenog napona. Iako u unutrašnjosti tih dvaju tipova tranzistora dolazi do zbivanja posve različitih u svojoj osnovi, prema vani im se način rada ne razlikuje.
Što se tiče načina spajanja tranzistora s obzirom na elektrodu koja se spaja na nultu točku sklopa (zajednička elektroda za ulazni i izlazni krug), vrijedi isto što i za elektronke. Kako je poznato, elek tronke možemo spojiti na tri različita načina, naime, da se na nultu točku spoji katoda, rešetka ili anoda. Spoj s uzemljenom katodom (slika 1-17) najčešći je način spajanja, a njemu odgovara spoj
tranzi-SI. 1—17. Spoj elektronke s uzemljenom katodom
SI. 1—18. Spoj tranzistora sa zajedničkim emiterom
stora sa zajedničkim (uzemljenim) emiterom, zvan još i emiterski spoj (slika 1-18). Taj se spoj u praktičkoj upotrebi tranzistora također naj češće koristi.
Naročito dobra svojstva u radu na visokim frekvencijama pokazuju elektronke u spoju s uzemljenom rešetkom (slika 1-19), a isto vrijedi i za analogan spoj s tranzistorom (slika 1-20) koji se naziva spoj sa zajedničkom ili uzemljenom oazom. Ako želimo u sklopu s
elektron-kom postići veliku ulaznu, a malu izlaznu impedanciju, dobiti dakle sklop za transformiranje impedancija, upotrijebit ćemo tzv. katodno
SI. 1—19. Spoj elektronke s uzdmljenom rešetkom
SI. 1—20. Spoj tranzistora sa zajedničkom bazom
pojačalo (sljedilo) u kojeg se radni otpor ne-nalazi u anodnom, već u katodnom krugu (slika 1-21). Naponska pojačanja takvog sklopa ma nja su od 1, a isto tako i analognog tranzistorskog spoja prema slici 1-22, koji se naziva spoj sa zajedničkim (uzemljenim) kolektorom,
od-SI. 1—21. Spoj elektronke uzemljenom a hod om
SI. 1—22. Spoj tranzistora sa zajedničkim kolektorom
nosno, emitersko sljedilo. I u ovog tranzistorskog pojačala naponsko pojačanje manje je od 1.
S obzirom na ta tri moguća načina spajanja tranzistora dobivaju se i različite dobre i loše osobine takvog sklopa. Pri prijelazu s jednog spoja na drugi mijenjaju se ulazni i izlazni otpor, pojačanje struje,
napona ili snage, faza izlaznog napona i struje u odnosu na ulaznu, te granična frekvencija. Sva ta svojstva obuhvaćena su u narednoj tablici, pa se iz nje mogu vidjeti sve specifičnosti, tj. dobre i loše strane poje dine vrste spojeva. Nije obuhvaćena jedino granična frekvencija koja se može postići, jer ona ovisi prvenstveno o tipu tranzistora. Ipak se općenito može reći da se u spoju sa zajedničkom bazom s istim tranzi storom mogu postići više granične frekvencije nego u emiterskom spoju i to približno za faktor strujnog pojačanja beta (JJ).
Napominjemo da se granice numeričkih podataka o otporima i po jačanjima u tablici ne mogu smatrati krajnjim, već su to samo rasponi za tranzistore normalnog tipa. Ima dakle tipova kojima pojedini po daci mogu izaći i izvan tih granica.
KARAKTERISTIKE TRANZISTORSKIH STUPNJEVA
Podaci u gornjoj tablici odnose se na germanijevc tranzistore
Različiti otpori pojedinih diodnih dionica tranzistora, navedeni u gornjoj tablici, omogućuju provjeru ispravnosti tranzistora, a također određivanje pripadnosti priključaka kod nepoznatih tipova, što je opi sano u desetom poglavlju.
RADNA TOČKA TRANZISTORA I TEMPERATURNO STABILIZIRANJE
Napomenuli smo da je tranzistor izvanredno osjetljiv već na pro mjene temperature PN prijelaza, a previsoke temperature ne samo da bi poremetile rad tranzistora, već bi ga mogle i potpuno uništiti. Koliko je tranzistor osjetljiv na promjene temperature najbolje vidimo iz podatka da se germanijevom tranzistoru, pri povećanju temperature za svakih 10 °C, struja kolektora povećava približno za 100°/o. Povećanje te struje uzrokuje daljnje povećanje temperature tranzistora, ono pak još veću struju i tako to ide dalje poput lavine, dok se tranzistor ne razori. Ta se pojava naziva termička reakcija.
Kako je u svim shemama spojeva u ovoj knjizi upotrebljeno ne koliko tipičnih spojeva za dobivanje ispravne radne točke tranzistora i stabiliziranje radnih uvjeta, opisat ćemo ih principijelno ovdje, da to ne moramo stalno ponavljati.
U spoju prema slici 1-23 željena struja baze za određenu radnu točku dobiva se priključivanjem baze na izvor pogonskog napona pre ko otpornika Rl. Međutim ovakva namještanja radne točke sa tzv.
SI. 1—23. Spoj za dobivanje SI. 1—24. Spoj za dobivanje
fiksnog napona baze automatskog napona baze
fiksnim prednaponom ili bolje rečeno sa fiksnom (stalnom) predstru- jom imaju nedostataka. Prvo, zbog struje baze koja ima uvijek isti iznos određen otporom otpornika Rl i naponom baterije B, nije mo guća zamjena tranzistora s nekim drugim tranzistorom s drukčijim po dacima. Za svaki novi tranzistor u tome sklopu valja otporniku Rl promijeniti vrijednost. Osim toga, takav sklop veoma je osjetljiv na varijacije temperature. Izvjesno poboljšanje u tome smislu postiže se spojem prema slici 1-24, gdje je radna točka određena s tzv. automat skim prednaponom (automatskom predstrujom), jer otpornik Rl nije spojen na pogonski napon, već na kolektor. Promijene li se prilike u pogonu pa se, recimo, poveća struja kolektora, to povećanje uzrokovat
će veći pad napona na otporniku R2 i time smanjiti napon između kolektora i emitera, pa tako i između kolektora i baze. Struja baze će se smanjiti, a zbog toga i struja kolektora.
S ovom istosmjernom negativnom reakcijom postiže se izvjesna stabilizacija i u pogledu varijacije temperature i pri zamjeni tranzi stora.
Spoj na slici 1-25 sličan je spoju sa slike 1-23 jer je prednapon također fiksan, ali je za uklanjanje mana spoja sa slike 1-23
upotreb-SI. 1—25. Spoj za dobivanje fiksnog napona baze i emi- terskim otporom za stabilizi
ranje
SI. 1—26. Spoj za dobivanje napona baze pomoću djelila napona, pojni napon djelila
je stalan
ljena negativna reakcija koja se dobiva na emiterskom otporniku R3. Baza preko koje se upravlja, negativna je u odnosu na emiter. Struja emitera koja prolazi kroz otpornik R3 stvara pad napona koji smanjuje prednapon baze u odnosu na emiter. Znači da će povećanje struje kolektora uzrokovati povećanje pada napona na R3, struja baze će se smanjiti, a zbog toga i struja kolektora. S ovom istosmjernom nega tivnom reakcijom na otporniku R3 postiže se dakle stabiliziranje. Da se spriječi smanjenje pojačanja stupnja zbog dodatne izmjenične nega tivne reakcije, emiterski otpornik se obično premoštava kondenzatorom većeg kapaciteta. Ako se pak žele smanjiti izobličenja u takvome stup nju, onda valja upotrijebiti takvu izmjeničnu negativnu reakciju, pa prema tome kondenzator Cl ukloniti.
U spoju prema slici 1-26 napon za bazu dobiva se djelilom naponi
R2R1 koje se napaja iz izvora napona konstantne vrijednosti. Pomoću
otpornika R3 dobiva se strujna istosmjerna negativna reakcija. Sa spo jem prema slici 1-27 postiže se međutim i strujna i naponska isto smjerna negativna reakcija. Strujna negativna reakcija dobiva se pomoću otpornika R2 i R3, dok se preko R1 dobiva istosmjerna napon ska negativna reakcija, jer se desni kraj otpornika R2 ne napaja sa stidnim naponom već s promjenljivim naponom s kolektora. Spoj dje luje slično onome sa slike 1-24 (automatski prednapon), ali se zbog djelila napona dobiva bolje stabiliziranje.
koii puti), prvenstveno u izlaznim stupnjevima tiur;/¡stoičkih pri jemnika i |J"jačala, koristi se temperaturnu stabiJizij'arijc pomoću ter rtti.stora s negativ u ¡ju fersiperatuinim koeficijentom. poznatim i nud na/ivom NirK-otptn-nik: {slika 1-2K1, Donji OEpomik djelila uupona sa
bazu razdijeljen je na dva dijela (R1 + R 2 ) , a paralelno otporniku R 2 spojen je NTK-otpomik. Ako dođe do porasta temperature, a time i do naglog porasta kolektorske struje, otpor termistora će se smanjiti, što đe uzrokovati manji napon baze prema emiteru. Posljedica toga bit će smanjenje struje kolektora, tj. ona će ostati približno ista kakva je bila.
Katkada se za stabiliziranje kolektorske struje na varijacije tempe rature i pogonslcih napona u krugu djelila napona za bazu umjesto
NTK-otpomika uzima slojna dioda (si. 1-29), Upotrebom pravilno oda branom diodom postiže se bolje stabiliziranje nego s otpornicima ili termistorima.
SI 1—27. Spof za dobivanje na pona baze pomoću djelila napo na, pojni napon djelila je pro
mjenljiv
SI. I—28. Temperaturna stabili zacija tranzistorskog stupnja uz
pomoć' NTK-otpornika
SI. 1—29 Temperaturna stabili zacija tran/isiorskog stupnja u/,
KOMPLEMENTARNI TRANZISTORI
Pod komplementarnim tranzistorima razumijevamo tranzistorski par (dva tranzistora) različitog polariteta, dakle jedan PNP, a drugi NPN. Simetričnim komplementarnim tranzistorima karakteristike su jednake, samo su smjerovi struje kroz njih različiti. Kako pojam kom plementarnosti pri elektronkama ne postoji, s takvim se tranzistorima dobivaju posve nove mogućnosti spajanja koje se s elektronkama ne mogu ostvariti. Najčešće se pak komplementarni tranzistorski parovi upotrebljavaju u izlaznim stupnjevima NF pojačala bez izlaznog trans formatora. (vidi sliku 1-30). Baze tranzistora spajaju se zajedno, pa ulazni signal s pozitivnim poluperiodima pobuđuje tranzistor NPN, a
SI. 1—30. Principijelna shema St. 1—31. Principijelna shema
spoja izlaznog stupnja (bez trans- kvazikomplementarnog spoja iz- formatora) s komplementarnim lažnog stupnja bez
transforma-tranzistorima tora
s negativnim tranzistor PNP. Za komplementarni izlazni stupanj dakle ne samo da nije potreban izlazni transformator već nije potreban niti ulazni, a niti neki drugi sklop za okretanje faze. U vezi s time treba napomenuti da postoji i izlazni stupanj bez izlaznog transformatora koji se naziva kvazikomplementami spoj. Razlika prema komplemen tarnom spoju je u tome što su oba izlazna tranzistora istog tipa, dakle oba PNP ili oba NPN, pa zato njihovim bazama treba dovest; signale sa suprotnom fazom (slika 1-31).
Umjesto relativno skupog komplementarnog tranzistorskog para u izlaznom stupnju katkada se odabire drugo rješenje, takvo da se kvazikomplementami izlazni stupanj, dakle s dva ista tranzistora, kombinira s drajverskim komplementarnim stupnjem, koji je zbog manje snage znatno jeftiniji (si. 1-32).
Za obje vrste izlaznih stupnjeva bez izlaznog transformatora može se priključivanje zvučnika i napajanja izvesti na dva načina: ili s jed nim izvorom napajanja- i priključivanjem zvučnika preko kondenza tora, kao na si. 1-30 i 1-31, ili pak s dva izvora napajanja i izravnim
SI. 1—32. Principijelna shema izlaznog stupnja hcz transformatora u kvazi komplementarnom spoju i drajverskim stupnjem u komplementarnom spoju
SI. 1—33. Principijelna she ma izlaznog stupnja hcz transformatora i veznog kon denzatora zvučnika — potreb
na sil dva poj na izvora
priključivanjem zvučnika (si. 1-33). Taj se posljednji način koji put upotrebljava u prijenosnim tranzistorskim prijemnicima pri napajanju s dvije baterije od 4,5 V.
VRSTE TRANZISTORA
Kako je već spomenuto, prvi su tranzistori bili točkasti. Njima su doduše udareni temelji današnje tranzistorske tehnike, no zbog velikih mana za mnoge upotrebe nisu bili osobito prikladni. Te su mane kod slojnih tranzistora, koji su se pojavili nakon njih, u priličnoj mjeri uklonjene, tako da su se oni, unatoč novim konstrukcijama koje stalno pridolaze, i dandanas održali pa se još uvijek proizvode u veli kim količinama. S obzirom na način dobivanja kristaja i poluvodičkog spoja kao i na postupak pri izradi tranzistora, dakle s obzirom na njegovu proizvodnu tehnologiju i konstrukciju, poznajemo čitavo mnoštvo raznih vrsta tranzistora, što je međutim od značenja pre težno pri upotrebi na visokim frekvencijama i za specifične svrhe. Pri upotrebi u niskofrekventnoj tehnici prevladavaju slojni tranzistori.
Među visokofrekventnim tranzistorima, s obzirom na konstrukciju, razlikujemo slijedeće glavne tipove: drift, mesa, planame, epitaksi- jalne, planamo-epitaksijalne itd., o kojima se, što se tiče konstrukcije
SI. 1—34a. Nekoliko tipičnih izvedbi tranzistora za naponsko pojačavanje
i osobina, može više naći u specijalnoj literaturi. Iako spomenute na zive upotrebljavaju svi proizvođači tranzistora, neki međutim koji put daju posebne, komercijalne nazive, koji upozoravaju na njihovu spe cifičnu konstrukciju. Tako je npr. tranzistoru »Overlay« tvrtke RCA emiter podijeljen na više paralelno spojenih emiterskih traka. Tranzi storu »Hometaxial-base« naziv je kombiniran od riječi homogen i axial, jer mu zona baze u aksijalnom smjeru ima homogeni specifični otpor itd.
SI. 1—34b. Nekoliko tipičnih tranzistora snage
S obzirom na opteretivost, tranzistore dijelimo na one za napon ska pojačala i na učinske tranzistore, tj. one za pojačanje snage. Jed nih i drugih ima za upotrebu na visokim i niskim frekvencijama. Posebna su vrsta tzv. sklopni tranzistori, kojih su karakteristike
bito pogodne za sklopni pogon, dakle u pretvaračima, impulsnim gene ratorima i si.
Za okidače (triggere) mnogo se upotrebljavaju tzv. UJ-tranzistori (Unijunction-tranzistori). Široku i sve češću primjenu imaju FE tran zistori, često nazvani skraćeno FET. I ta je kratica zapravo skraćena jer u punom obliku glasi JFET (od Junction Field Effect Transistor — tranzistor s efektom polja) za razliku od u posljednje vrijeme sve češće upotrebljavanog MOSFET-a (također poznatog pod kraticama IGFET, MOST ili IGT). Za njega je karakteristično da su mu vrata (upravljačka elektroda) izolirana, što mu daje nevjerojatno visoke ulazne otpore, reda veličine IO'4 ii! a i ovisnost mu je o temperaturi mala. FET i MOSFET uspjeli su nadomjestiti elektronke gdje to prije nije bilo moguće, prvenstveno tamo gdje su visoki ulazni (ili izlazni) otpori karakteristični i neophodni za neki spoj.
Fototranzistor je tranzistor koji se može upravljati i svjetlom, a također se često upotrebljava.
OSTALI POLUVODIČI
U tranzistorskim se sklopovima uz tranzistore upotrebljava još i niz drugih poluvodičkih sastavnih elemenata. Najčešće su to polu vodičke diode kojih po vrstama ima stalno sve više. Najčešće se upo trebljavaju germanijeve i silicijeve diode i to za ispravljanje
izmje-SI. 1—35a. Nekoliko tipičnih izvedbi dioda
ničnih napona svih jakosti struja te za demodulaciju. Z-diode (Zene- rove diode) upotrebljavaju se za stabilizaciju napona, one su uvijek silicijeve. Germanijeve diode sa zlatnom točkom odlikuju se malim nutarnjim otporima. Kapacitetnim diodama, koje se nazivaju i Vari kap (ili varaktor), može se promjenom prednapona mijenjati kapaci tet. Tunelske diode, ili Esakijeve, mogu proizvoditi oscilacije. Svjetleće
diode, zovu se još i LED ili luminiscentne diode, svijetle kad kroz njih prolazi struja. Obično su izrađene na bazi galijeva arsenida, pa
se koji put nazivaju i GaAs-diode. U mikrovalnoj se tehnici za razne svrhe upotrebljavaju specijalne diode poznate pod nazivima »step- -recovery«-diode, pin-diode, »hot-carrier«-diode, Schottky-diode, Gunnove diode, impatt-diode, laserske diode itd. Ovamo spadaju i šumne diode,
koje proizvode šumove. Cetveroslojne diode služe kao razni okidači (triggeri), a najpoznatija je od njih tzv. diac za okidanje upravljivih sklopki (npr. triaca). Fotodiode su one koje se mogu upravljati svjetlom.
Poluvodički elementi kojima se upravlja djelovanjem svjetla, na zivaju se skupnim nazivom optoelektronički elementi. Ovamo dakle spadaju i fotoelementi, fotootpomici, fototiristori itd. te već spome nuti fototranzistori i fotodiode, a u najnovije vrijeme i tzv. optoelek tronički vezni (izolacioni) elementi.
Ima dosta raznih vrsta poluvodičkih elemenata u grupaciji uprav- ljivih silicijevih sklopki, i to pod raznim nazivima kao što su: SCR
SI. 1—37. Nekoliko tipičnih optoelektroničkili elemenata: fotootpomik, fotodioda,
foto-tranzistor, svjetleća dioda (LED), optoelektronički vezni elementi
(od Silicon Controlled Rectifier), tiristor, trinistor, triggistor, triac, quadrac, darlistor itd.
Za uklanjanje šiljaka napona služe varistori (otpomici-VDR), za mjerenje i regulaciju temperature termistori (otpornici NTK i PTK).
SI. 1—38. Tipične izvedbe NTK- i PTK-otpornika te varistora
Među elemente na koje se utječe magnetskim poljem spadaju Hallovi generatori, magnetootpornici, magnetodiode i magnetotranzi- stori.
Iscrpniji opis spomenutih elemenata predviđen je u slijedećoj knjizi iz ove serije.
Svi ti elementi spadaju u veliku porodicu poluvodiča, a svi po- . svuda i na raznim mjestima pružaju neprocjenjive usluge. Današnja dostignuća tehnike, pogotovo elektroničkih računala i svemirske teh nike, bez poluvodiča se ne mogu ni zamisliti, kao ni zaista lagani pre- nosivi uređaji.
INTEGRIRANI SKLOPOVI
U razdoblju koje je proteklo od izlaska prvog izdanja ove knjige pa do ovoga sedmog, s obzirom na stalni progres, u poluvodičkoj teh nici došlo je do velikih promjena. Pojedinačne sastavne poluvodičke, tzv. diskretne elemente počeli su na gotovo svim područjima nado mještati i potiskivati integrirani sklopovi. Njihovi su strani nazivi: Integrated Circuits, Integrierte Schaltungen, Circuits intégrés itd., pa kako gotovo na svim jezicima obje riječi započinju slovima IC, odn. IS, postalo im je to ujedno i kratica svugdje u svijetu pa i u nas (IS).
U kućištima integriranih sklopova, kojima volumen u prosjeku nije veći od 0,4 cm3, dakle približno kao maloga izlaznog tranzistora snage, smješteno je desetak, a često i stotinjak tranzistora i dioda, pa čak i otpornika. Naravno da te komponente nisu sastavljene običnim spajanjem, već sjedinjene u toku proizvodnje prikladnim tehnološkim procesom. Takva izradba zahtijeva izvanrednu preciznost i pažljivost, jer pogreška samo na jednom jedinom mjestu može načiniti IS-ove neupotrebljivima ili im karakteristike pomaknuti izvan granica tole rancije.
Integrirani sklopovi kao pojedinačni primjerci u stanju su obav ljati kompletne funkcije koje se inače obavljaju jedinicama što zahtijevaju po stotinu puta veći prostor. Ušteda u prostoru nije i jedi na njihova prednost, velika je naime ušteda i u cijeni. Međutim, kao što do danas poluvodička tehnika nije uspjela u potpunosti istisnuti elfcktronke, tako ni integrirani sklopovi to neće moći u dogledno vrije me postići u odnosu na ostale poluvodičke elemente, nego će se veći nom upotrebljavati kombinirano.
Pod integriranim sklopovima razumijevamo dakle kombinacije elektroničkih sastavnih elemenata, smještenih na poluvodičkim mate rijalima, koji se ne daju razdvojiti, a tvore kompletne električne funkcionalne jedinice.
U tzv. diskretnoj poluvodičkoj tehnologiji na poluvodičku pločicu od germanija ili silicija smješta se samo jedan poluvodički element, npr. dioda ili tranzistor. U integriranoj poluvodičkoj tehnici na jednu se pločicu stavlja više sastavnih elemenata, dakle dioda, tranzistora, otpornika, pa čak i kondenzatora. To se sve provodi tzv. silicijevim planamo-epitaksijalnim postupkom pri kojem se u oksidirani povr šinski sloj osnovne pločice (tzv. supstrat), pomoću maski jetkaju otvori. Difuzijom pomoću plina, u zrakopraznom prostoru pri visokim tempèraturama, kroz te se otvore u monokristal unosi materijal za dotiranje. Višestrukim jetkanjem, maskiVanjem i difundiranjem do biva se aktivni element sa strukturom NPN. Na isti se način izrađuju i pripadni otpornici, samo što se njima dodaju i akceptori i donori, pa se ne dobiva prijelaz PN, već otpomičko djelovanje sloja. Pojedini
elementi u integriranom sklopu međusobno se povezuju s aluminij skim vodovima koji se dobivaju naparavanjem. U toku difuzije silicij se na jetkanim mjestima prevuče tankim oksidnim slojem koji štiti prijelaz PN od vanjskih utjecaja. To je princip po kojem se može ostvariti bezbroj kombinacija. Radi primjera prikazan je na slici po stupak integriranja tzv. vrata NOR (u domaćoj terminologiji katkada označen sa NILI) s tri ulaza, u tzv. logici RTL, o kojoj će kasnije biti još govora. Slika l-39a prikazuje shemu spoja takvih trostrukih vrata, a odgovarajuću izradu u integriranoj tehnici slika l-39b. Golemi se
SI. 1—39. Prikaz tehnike integriranja: shema spoja vrata NOR s tri ulaza (a) i odgova rajuća izrada u integriranoj tehnici (b)
uspjeh ove tehnike odmah uočava ako spomenemo da se taj sklop može bez teškoća načiniti s dimenzijama 1x1 mm, što još nije i vrhunsko dostignuće.
Svi integrirani sklopovi dobiveni navedenim postupcima spadaju u grupu tzv. monolitnih sklopova izvedenih na istoj pločici poluvo- diča. Postoji međutim još i grupa tzv. hibridnih integriranih sklopova (HIC) kod koje se integrirani sklop, dobiven ranije opisanim postup cima, stavlja zajedno s još nekim dodatnim, aktivnim ili pasivnim elementima na poseban nosač, obično keramički, pa se sve zajedno ugrađuje u neko standardno kućište, npr. DIL.
U integriranoj se tehnici za sastavne aktivne elemente često uzi maju isti tipovi kito i u diskretnoj izvedbi s vlastitim kućištima. Takav je npr. IS RTL914, upotrijebljen u spoju prema shemi na si. 3-16, koji u svom kućištu ima integrirana četiri standardna tranzistora, zajedno s pripadnim otpornicima.
Integrirani sklopovi imaju u usporedbi sa spojnom tehnikom s diskretnim sastavnim elementima niz prednosti, a nemaju gotovo nikakvih nedostataka ili mana. Te prednosti jesu:
1. Racionalizacija proizvodnje, zbog čega je cijena sklopa znatno manja nego kad bi se sastavljao od pojedinačnih sastavnih elemenata. Toj uštedi u cijeni materijala treba dodati uštedu vremena potrebnog za sastavljanje elemenata i stavljanje u pogon. Pri tolikoj količini sastavnih dijelova što ih sadrži IS, možda sklop u diskretnoj tehnici ne bi odmah funkcionirao zbog tolerancije vrijednosti elemenata.
2. Malen potrebni prostor. Integrirani se sklop dade u principu izvesti s volumenom koji iznosi 1/1000 pa do 1/10 000 volumena što bi ga zahtijevao isti sklop s pojedinačnim sastavnim elementima.
3. Manji potrošak energije. Za pogon integriranih sklopova po trebna je manja energija, što znači da su potrebni manji i većinom jednostavniji izvori napajanja. Pogon je ekonomičniji i manja je toplina stvorena gubicima, a to dopušta kompaktniju izradbu uređaja.
4. Veća pouzdanost u radu. Klasični elektronički sklopovi u uspo redbi s istim takvim integriranim sklopovima imaju barem desetak, ako ne i stotinu lemnih mjesta, koja su najčešće uzrok kvarovima, pa je i pouzdanost IS gotovo toliko puta veća. Budući da imaju manju masu i kompaktnu konstrukciju, integrirani sklopovi su manje osjet ljivi na udarce, vibracije itd. IS-ovi uobičajene (standardne) izvedbe podnose npr. ubrzanja od 20 000 do 30 000 g, dok npr. specijalne elek- tronke podnose kratkotrajno ubrzanje od 500 g, a u trajnom pogonu samo 2,5 g. Temperaturna ovisnost uobičajenih diskretnih elemenata je velika, a osobito poluvodičkih. Integrirani sklopovi kao cjelina ima ju u standardnim izvedbama garantirane karakteristike u temperatur nom području od 0 do 70 *C, a u specijalnim izvedbama čak od —55 do +150-C.
5. Lakše i jeftinije uzdržavanje. Zamjena integriranog sklopa u kojem je nastao kvar, obično je jeftinija od traženja kvara i popravka u klasičnom elektroničkom sklopu, jer cijena radnog vremena stalno raste u odnosu na materijal, a da i ne spominjemo kako često niti višesatni napori ne dovedu do rezultata.
Za amatersku upotrebu najznačajnije je smanjenje cijene i volu mena, pa ćemo taj dobitak zorno objasniti na slijedećem primjeru: U tzv. digitalnoj tehnici, u seriji TTL, postoji dekadsko brojilo s ozna kom SN 7490 N koje s drugačijom oznakom proizvodi čitav niz proiz vođača, kao npr.:
U njegovu kućištu, poznatom pod oznakom DIL14 (ili DIP 14), dimenzija prikazanih na slici l-44b, smješteno je 46 tranzistora, 24 diode
IDC7490 (RIZ)
FJJ 141 (Philips, Valvo, Mullard) FU 161 (Siemens) TL 7490 N (AEG-Telefunken) U6A749059X (Fairchild) MC7490 (Motorola) MIC 7490 (ITT) itd. 39
