Elektronica

H1: Halfgeleidertheorie

Halfgeleidermaterialen

Halfgeleider = stof waarvan soortelijke weerstand tussen die van geleiders en isolatoren ligt. Door bepaalde manipulaties => gedrag van geleiders doen aannemenMeest gebruikte materialen: germanium Ge (atoomnummer 14) en silicium Si (atoomnummer 32).Elektronen rond atoom zijn geschikt in energiebanden (schillen): K, L, M, N, O, P, QMaximum aantal elektronen per schil = 2nHoe dichter een elektron bij de kern is, hoe sterker het elektron aan de kern gebonden is (meer energie nodig om het los te krijgen).

Buitenste schil = valentieband, bij Ge en Si 4 valentie-elektronen => vierwaardige elementen.Wanneer er voldoende energie toegevoegd wordt aan het atoom verplaatsen de valentie-elektronen zich naar een hoger gelegen excitatie-niveau = geleidingsband. Bij absolute nulpunt (0 K, -273C) zijn er geen elektronen in de geleidingsband.Elektronen in de geleidingsband = vrije elektronen => gaan vrij door de materie bewegen. Scheiding tussen valentieband en geleidingsband = verboden zone (= bepaald energiebedrag), hierin kunnen geen elektronen zitten. Bij geleider => geleidingsband en valentieband overlappen, verboden zone is 0 eV (of zeer klein) => elektronen kunnen zich vrij bewegen van valentieband naar geleidingsbandBij halfgeleider => klein energiebedrag tussen valentieband en geleidingsband, verboden zone is klein (grootteorde 1 eV) => nog overbrugbare zone (mits toegevoegde energie)Bij isolator => groter energiebedrag tussen valentieband en geleidingsband, verboden zone is groter (> 5 eV) => zeer moeilijk om nog elektronen in de geleidingsband te krijgen

Kristalstructuur van Ge en Si (vierwaardige elementen) => covalente binding met 4 burenZeer zuiver Ge en Si = intrinsiek materiaal verontreinigd Ge en Si = extrensiek materiaalBij absolute nulpunt => geen elektronen in de geleidingsbandBij hogere temperatuur => valentie-elektronen absorberen energie => verbreken covalente binding en bewegen in geleidingsband => laten een positief geladen plaats (gat) open in het kristalrooster.Generatie = ontstaan van positief geladen gaten en vrije elektronen door temperatuursverhogingRecombinatie = vrije elektronen combineren terug met gatenBij stijgende temperatuur daalt dus de weerstand.Bij bepaalde temperatuur => evenwicht tussen generatie en recombinatie => materiaal is elektrisch neutraal

Verontreiniging van halfgeleiders

Bruikbare halfgeleider => kleine hoeveelheid vreemde atomen toevoegen aan kristal => doperenIngebrachte atomen: Volume ongeveer gelijk aan volume van atomen van kristal zelf (kristalstructuur niet verstoren) Aantal zeer gering (germanium:1/106, silicium: 1/108) Gering aantal => goed verspreid => elke verontreiniger omgeven door 4 normale atomen

N-materiaal => verontreiniging met vijfwaardig element (fosfor P, arsenicum As, antimoon Sb) Vijfde elektron nog zwak verbonden met atoom Temperatuurstoename => vijfde elektron gaat over naar geleidingsband (al bij enkele K) Hierdoor is achtergelaten atoom een positief ion geworden Meer elektronen (door generatie van kristal en verontreiniging) dan gaten (door generatie van kristal) Dit materiaal noemt men een donor (doneert vrije elektronen)

P-materiaal => verontreiniging met driewaardig element (aluminium Al, gallium Ga, indium In, boor B) Er ontbreekt 1 elektron om een perfecte binding tot stand te brengen => gat (elektrisch neutraal) Dit gat trekt een elektron van een naburig atoom aan om de covalente binding tot stand te brengen Hierdoor ontstaat een negatief ion in het rooster, en is er een nieuw gat ontstaan bij het naburig atoom Meer gaten (door generatie van kristal en verontreiniging) dan elektronen (door generatie van kristal) Dit materiaal noemt men een acceptor (accepteert elektronen)PN-overgang

Stuk P-materiaal verbinden met een stuk N-materiaal: In het N-materiaal zijn er meer vrije elektronen, in het P-materiaal meer gaten Concentratieverschil => diffusiestroom van elektronen van N-materiaal naar P-materiaal Elektronen die in grensgebied overgaan combineren direct met gaten en worden inactief P- en N-materiaal in de grenszone raken hun vrije ladingsdragers kwijt Voortdurend toestromen van elektronen in grenszone van P-materiaal => negatieve potentiaal Voortdurend wegstromen van elektronen in grenszone van N-materiaal => positieve potentiaal Potentiaalverschil UD (diffusiepotentiaal) tussen P- en N-materiaal => steeds moeilijker voor elektronen om over te gaan van N-materiaal naar P-materiaal => diffusiestroom neemt af Minderheidsladingsdragers (elektronen in P-materiaal, gaten in N-materiaal) gebruiken diffusiepotentiaal: elektronen uit P-materiaal gaan naar N-materiaal => driftstroom tegengesteld aan diffusiestroom Na verloop van tijd: evenwicht tussen diffusiestroom en driftstroom => verbinding in evenwicht Zone in grenslaag waar geen vrije ladingsdragers meer zijn = spergebied of sperzone Diffusiepotentiaal is bij silicum ongeveer 0,7 V, bij germanium ongeveer 0,3 V (bij kamertemperatuur) Ongelijke dopering => zonebreedte is omgekeerd evenredig met concentratie aan verontreiniging (bv. P-materiaal sterker gedopeerd dan N-materiaal => sperzone P-materiaal is kleiner dan sperzone N-materiaal) Grootteorde sperzone => enkele m

Diodewerking

Uitwendige bron aansluiten met pool aan P-materiaal, +pool aan N-materiaal: Gaten in P-materiaal aangetrokken door pool, vrije elektronen in N-materiaal aangetrokken door +pool Ladingsdragers gaan weg van de sperzone => sperzone verbreedt Diffusiestroom verdwijnt volledig => spanning wordt groter Aangelegde spanning bevordert driftstroom van minderheidsladingsdragers (driftstroom hangt meer af van temperatuur dan van aangelegde spanning) Zodra alle minderheidsladingsdragers deelnemen aan driftstroom kan deze niet meer vergroten in waarde => verzadigingsstroom IS (saturatie) Spergebied aanwezig tussen 2 halfgeleiders => condensator (spercapaciteit)Uitwendige bron aansluiten met +pool aan P-materiaal, pool aan N-materiaal: Aangelegde spanning werkt diffusiespanning tegen => breedte van sperzone vermindert Diffusiestroom (vroeger beperkt door diffusiepotentiaal UD) neemt nu toe Aangelegde spanning verhogen tot boven de waarde van UD => stroom stijgt snel tot zeer grote waarde (diode begint te geleiden)P-materiaal is de anode, N-materiaal is de kathode

Karakteristiek van de diode:Zone 1: Diode is in sperrichting gepolariseerd Stroom is begrensd tot verzadigingsstroom IS (Si: enkele nA, Ge: enkele A) Sperstroom is sterk temperatuurafhankelijkZone 2: Te grote aangelegde spanning in sperrichting Doorslag van de kristalstructuur => lawine-effect Kleine verdere toename van sperspanning => zeer grote stromen Als maximaal vermogen van de diode overschreden wordt => junctietemperatuur loopt te hoog op => kristal definitief vernietigdZone 3: Diode is voorwaarts gepolariseerd Stroom volgt exponentile kromme Voorwaarts aangelegde spanning benadert diffusiespanning => merkelijke stroomZone 4: Curve loopt tamelijk rechtlijnig omhoog, diode heeft lage weerstand Opletten dat maximaal vermogen van de diode niet overschreden wordtTemperatuurscofficint: temperatuur stijgt => weerstand daalt => grotere stroom voor eenzelfde spanning (zowel in doorlaat- als in sperrichting)

Gelijkstroomweerstand of statische weerstand:We plaatsen een spanning UF over de diode, nu zal er een stroom IF gaan stromen. Dan geldt:

Hierin is RS de statische weerstand of gelijkstroomweerstand. Deze hangt af van de plaats op de karakteristiek waar gemeten wordt (welke spanning er wordt aangelegd).De weerstand van een diode kan dus niet worden gemeten met een ohmmeter!

Wisselstroomweerstand of dynamische weerstand:We plaatsen een wisselspanningsbron in serie met de voorgaande bron, dan is de dynamische weerstand of wisselstroomweerstand van de diode:

Vereenvoudigen van de karakteristieken:1. Ideale schakelaar Voorwaarts aangelegde spanning => geen spanning over de diode (UD = 0 V) Sperspanning => geen sperstroom (ID = 0 A)2. Schakelaar met drempelspanning Voorwaarts aangelegde spanning => geleiding als aangelegde spanning gelijk aan of groter is dan drempelspanning (UD = Udrempel) Sperspanning of voorwaartse spanning lager dan drempelspanning => geen sperstroom (ID = 0 A)3. Schakelaar met drempelspanning en statische weerstand Voorwaarts aangelegde spanning => geleiding als aangelegde spanning gelijk aan of groter is dan drempelspanning, statische weerstand in rekening gebracht Sperspanning of voorwaartse spanning lager dan drempelspanning => geen sperstroom (ID = 0 A)

H2: Belastingslijnen

Instelpunt van de schakeling bepalen: Diodekarakteristiek tekenen Belastingslijn tekenen (2 punten kiezen)

H3: Gelijkrichterschakelingen

Enkelzijdige gelijkrichter

Met weerstand:Met condensator:

Tijdens positieve alternantie: Diode geleidt Spanning over weerstand = bronspanning spanningsval over diodeTijdens negatieve alternantie: Diode spert, spanning over weerstand = 0 V Sperstroom vloeit in diode

Tijdens positieve alternantie: Diode geleidt Condensator wordt opgeladen tot bronspanning maximum bereikt Daarna kan condensator niet meer ontladen, diode spert altijd (zowel tijdens positieve als negatieve alternantie

Enkelzijdige gelijkrichter met afvlakcondensator

Tijdens positieve alternantie: condensator laadt op Tijdens periode na de topwaarde van de positieve alternantie en tijdens volledige negatieve alternantie ontlaadt condensator over weerstand volgens exponentile kromme Verliezen: Spanningsval over de diode Sperstroom in diode Lekstroom in condensatorGrootte van de rimpelspanning: De condensator wordt opgeladen tot een spanning Deze ontlaadt volgens de kromme: We stellen dat het tijdsinterval t waarin de condensator ontlaadt gelijk is aan de periode T van de bronspanning, de condensator ontlaadt dus tot De grootte van de rimpel is dan:

Dubbelzijdige gelijkrichter met scheidingstransformator

Nut: ook gebruik maken van de negatieve alternantie (deze ging verloren bij de enkelzijdige gelijkrichter).Tijdens positieve alternantie:

D1 geleidt, D2 spert De spanning over de weerstand is naar boven gericht, maar is maar half zo groot als de bronspanning Verliezen: spanningsval over D1, sperstroom in D2, verliezen in transformator (groot)Tijdens negatieve alternantie: D2 geleidt, D1 spert De spanning over de weerstand is naar boven gericht, maar is maar half zo groot als de bronspanning Verliezen: spanningsval over D2, sperstroom in D1, verliezen in transformator (groot)

Dubbelzijdige gelijkrichter met brug

Tijdens positieve alternantie: D1 en D4 geleiden, D2 en D3 sperren De spanning over de weerstand is naar boven gericht en gelijk aan de bronspanning Verliezen: spanningsval over D1 en D4, sperstroom in D2 en D3Tijdens negatieve alternantie: D2 en D3 geleiden, D1 en D4 sperren De spanning over de weerstand is naar boven gericht en gelijk aan de bronspanning Verliezen: spanningsval over D2 en D3, sperstroom in D1 en D4

Spanningsverdubbeling, mogelijkheid 1

Tijdens positieve alternantie: D1 geleidt, D2 spert C1 wordt opgeladen tot de bronspanning C1 ontlaadt niet meer want er is geen weerstand in de kring Verliezen: spanningsval over D1, sperstroom in D2, lekstroom in condensatorTijdens negatieve alternantie: D2 geleidt, D1 spert C2 wordt opgeladen tot de bronspanning C2 ontlaadt niet meer want er is geen weerstand in de kring Verliezen: spanningsval over D2, sperstroom in D1, lekstroom in condensator

Totaal: spanning over C1 en C2 samen = 2 keer de bronspanning (verminderd met de verliezen)

Dubbelzijdige gelijkrichter (scheidingstransformator + brug) met condensatorenTijdens positieve alternantie:

D1 en D4 geleiden, D2 en D3 sperren Condensatoren laden op tot (groen) + (blauw) + (rood) = tweemaal de bronspanning Verliezen: spanningsval over D1 en D4, sperstroom in D2 en D3, lekstroom in condensatoren, verliezen in transformator

Tijdens negatieve alternantie: D2 en D3 geleiden, D1 en D4 sperren Condensatoren laden op tot (groen) + (blauw) + (rood) = tweemaal de bronspanning Verliezen: spanningsval over D2 en D3, sperstroom in D1 en D4, lekstroom in condensatoren, verliezen in transformator

De middenaftakking is steeds een nulgeleider: de som van de stromen (groen en blauw) in deze tak is steeds 0.Spanningsverdubbeling, mogelijkheid 2Tijdens negatieve alternantie: D1 geleidt, D2 spert C1 wordt opgeladen tot de bronspanning (ontlaadt niet meer) Verliezen: spanningsval over D1, sperstroom door D2, lekstroom in condensatorTijdens positieve alternantie: D2 geleidt, D1 spert C2 wordt opgeladen tot de bronspanning + de spanning over C1 = tweemaal de bronspanning Verliezen: spanningsval over D2, sperstroom in D1, lekstroom in condensatoren (ontladen)

Spanningsvermenigvuldiger

Uitbreiding van de vorige schakeling: Tijdens eerste negatieve alternantie geleidt D1 => C1 laadt op tot de bronspanning naar rechts gericht (D3 geleidt ook waardoor C2 en C3 ook deels opgeladen worden, maar deze worden later overschreven) Tijdens de positieve alternantie geleidt D2 => C2 laadt op tot de bronspanning + de spanning over C2 = tweemaal de bronspanning naar rechts gericht (D4 geleidt ook waardoor C3 en C4 deels opgeladen worden, maar deze worden later overschreven) Tijdens de volgende negatieve alternantie geleidt D3 => C3 laadt op tot de bronspanning + de spanning over C2 de spanning over C1 = tweemaal de bronspanning naar rechts gericht (D1 geleidt ook => eventuele ontlading van C1 wordt bijgetankt) Tijdens de volgende positieve alternantie geleidt D4 => C4 laadt op tot de bronspanning + de spanning over C1 + de spanning over C3 de spanning over C2 = tweemaal de bronspanning naar rechts gericht (D2 geleidt ook => eventuele ontlading van C2 wordt bijgetankt) De spanning over C1 en C3 samen is dus driemaal de bronspanning De spanning over C2 en C4 samen is dus viermaal de bronspanning Zo kan men de schakeling verder naar rechts uitbreiden, bovenaan verkrijgt men oneven veelvouden van de bronspanning, onderaan even veelvouden Verliezen in rekening brengen: spanningsverliezen over de dioden als ze geleiden, sperstromen in de dioden als ze sperren, lekstromen en ontladingen van de condensatoren De spanning over de dioden is telkens de bronspanning verschoven met de amplitudewaarde van de bronspanning Eenmaal alle condensatoren opgeladen zijn, verbruikt de schakeling geen stroom meer (behalve om condensatoren bij te tanken)

H4: Zenerdioden

Diode in sper: sperspanning vergroten => veldsterkte over de junctie wordt zodanig groot (ongeveer 200 kV/cm) => elektronen worden uit hun covalente bindingen losgerukt => geleiding vergroot zeer sterk => diode slaat doorIn dit doorslaggebied is de diode praktisch niet bruikbaarZenerdiode = het doorslagverschijnsel treedt op bij veel lagere sperspanningen (3 V tot 220 V) => dynamische weerstand is zeer klein => wel praktische rol

Hoe doorslagspanning verlagen? => halfgeleider meer verontreinigen => sperzone versmallen => maximale veldsterktegradint sneller bereikt => doorslagspanning verlaagdEnkel Si wordt gebruikt voor zenerdioden (overgang tussen sper- en doorslaggebied is veel scherper)

Zenereffect = aanbrengen van te grote potentiaal over de sperzone => verbreken van de covalente bindingen => elektronen losgerukt => kunnen aan geleiding deelnemenHogere temperatuur => meer vrije ladingsdragers => bij een lagere sperspanning al doorslaan (NTC).

Lawine-effect = elektronen komen vrij => zodanig versneld naar positieve spanningsklem => botsing met andere atomen => meer elektronen komen vrij => lawine van vrije elektronen => doorslagknik wordt veel scherperHogere temperatuur => vrije weglengte alvorens elektronen botsen wordt kleiner => kinetische energie van elektronen bij botsen is kleiner => minder elektronen vrijgemaakt => om eenzelfde aantal elektronen los te rukken moet een hogere spanning aangelegd worden (PTC).

Zenerdioden opdelen in 2 categorien:1. Zenerdioden met enkel zenereffect (doorslagspanning tot ongeveer 5,6 V)2. Zenerdioden met zener- en lawine-effect (doorslagspanning vanaf 6 V)

Symbool zenerdiode:Europees Amerikaans

Karakteristiek

In voorwaartse zin gepolariseerd: gedraagt zich als een gewone diodeIn sperrichting gepolariseerd: hoofdzakelijk 3 gebieden:1. Spergebied: Zenereffect treedt nog niet op Kleine sperstroom aanwezig2. Kniezone: Verbreken van covalente bindingen begint3. Doorslaggebied: Zener- (en eventueel lawine-) effect volop aan de gang Verloopt nog steiler dan zone 4 bij gewone diode Opletten dat Pmax niet overschreden wordt (kleine toename van UZ => grote toename van IZ) (Pmax mag zeer kortstondig overschreden worden => gegevens fabrikant)

Zenerdiode meestal in sperzin gebruikt => soms assen van zin veranderen => met positieve getalwaarden werken (IZ en UZ)De zenerdiode werkt het best in het gebied Dynamische weerstand van een zenerdiode:

Zenerdioden worden gefabriceerd in reeksen: bv. BZY88-reeks (=> 400 mW) Bevat 24 dioden met zenerspanningen tussen 3,3V en 30V Bv. BZY88-C5V6 (C = tolerantie 5% (D = 10%), 5V6 = zenerspanning 5,6 V bij 5 mA Zenerdioden met zenerspanning < 5,6 V hebben NTC, zenerdioden met zenerspanning > 6 V hebben PTC Tusen deze twee gebieden in bevinden zich dioden met een zeer kleine temperatuurscofficint: NTC van zenereffect en PTC van lawine-effect heft elkaar op Door op gang komen van beide effecten => ruis (oplossen met condensator in parallel)

Onbelaste stabilisatieschakelingen

Zenerdiode => vaak gebruikt als stabiliserend element in een schakeling.Hierbij staat er een spanning UZ over de diode en gaat er een stroom IZ door de diode => we tekenen de belastingslijn.

Laten we nu de bronspanning U variren met U, dan zal de spanning over de diode (de uitgangsspanning) UZ veranderen met een veel kleinere waarde, dankzij de zeer steile karakteristiek van de zenerdiode.Deze verandering drukken we uit onder de vorm van de stabiliteitsfactor F:

De stabiliteitsfactor F vertelt ons hoeveel maal de verandering aan de ingang van de schakeling groter is dan de resulterende verandering aan de uitgang van de schakeling.Voor een onbelaste stabilisatieschakeling geldt dus:

RD is hier de dynamische weerstand van de zenerdiode. We besluiten: Hoe groter R, hoe stabieler de uitgangsspanning (maar hoe meer verlies, want R is geen nuttige verbruiker) Hoe kleiner RD, hoe stabieler de uitgangsspanning

Belaste stabilisatieschakelingen

We zoeken van de volgende schakeling meteen het Thevenin-equivalent: en

RD is de dynamische weerstand van de diode, R is de interne weerstand van de schakeling, RL is de belasting.We besluiten: Hoe groter R, hoe stabieler de uitgangsspanning (maar hoe meer verlies, want R is geen nuttige verbruiker) Hoe kleiner RD, hoe stabieler de uitgangsspanning Hoe kleiner RL, hoe stabieler de uitgangsspanning

H5: Specifieke dioden

Soorten

LED (Light Emitting Diode) Straalt licht of warmte uit Lineair verband tussen stroomsterkte I en lichtsterkte E (geen vervorming van het signaal) Kleine stralingshoek Langere levensduur Compacte bouw => schokbestendig Kan zeer hoge frequenties aan (GHz) => datacommunicatie (gewone lamp moet opwarmen) Golflengte van uitgestraalde licht bepaalt kleur van de LED Sommige LEDs kunnen 2 (bicolor) of 3 (tricolor) kleuren uitstralen:LED-display Opgebouwd uit meerdere LEDs 2 soorten: gemeenschappelijke anode of gemeenschappelijke kathodeHalfgeleiderlaser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Speciaal type LED met oneindig kleine stralingshoek Monochromatisch lichtFoto-gevoelige elementen1. Zonnecel Opbouw: N-materiaal, daarop dun laagje P-materiaal, daarop anti-reflectielaag en zilver-titaan contactlaagje Niet in sper polariseren Licht valt in => energie wordt overgedragen aan atomen => elektronen gaan van valentieband naar geleidingsband => spanning over PN-overgang neemt toe (grootte wordt bepaald door energie van het licht, niet door oppervlak) Verband tussen afgegeven spanning en verlichtingssterkte is logaritmisch Zonnecellen => serie of parallel schakelen => zonnepaneel2. Fotodiode Altijd in sper gepolariseerd => PN-junctie met sperzone ertussen => in feite condensator Lichtinval => sperstroom vergroot Grotere sperspanning => grotere sperzone => kleinere capaciteit () => capaciteit moet klein zijn want diode moet snel kunnen reageren op veranderingenFotokoppelingen (opto-coupler) Samenstelling van LED en fotodiode, -transistor of thyristor (lichtdichte behuizing) Stroom door LED => LED verlicht => fototransistor geleidt => signaal doorgegeven Signalen zijn gescheiden Ongevoelig voor elektrische storing + licht verzwakt nauwelijks => goed voor datacommunicatieCapaciteitsdiode (varicap)PN-junctie met speciale verontreiniging

Hierbij wordt d bepaald door de aangelegde sperspanning.Toepassing:

Antenne vangt signaal op Frequentie van schakeling moet geregeld worden: Eerste manier: C is regelbare condensator Tweede manier: U regelen => sperzone van varicaps regelen

H6: De bipolaire transistor

Afspraken: Bron nu verkort tekenen Gelijkspanning => Hoofdletter met hoofdletters in index, bv. Wisselspanning => Kleine letter met kleine letters in index, bv. Samenstelling (wisselspanning met DC-offset) => hoofdletter met kleine letters in index, bv. Eerste letter in index = letter waar pijlpunt naar wijst Tweede letter in index = letter waar pijl vertrekt (geen 2de letter? => vanaf massa)

Opbouw

Aaneenschakeling van 3 halfgeleiderzones => PNP- of NPN-transistorPNP: pijl wijst naar paalNPN: not pointing inTransistor is echter geen aaneenschakeling van 2 diodes! Middenzone is zeer smal t.o.v. de buitenste gebieden Middenzone is veel minder verontreinigd t.o.v. de andere zonesSchematische voorstelling: de pijl duidt de stroomzin aan. In sommige databoeken => alle stromen naar transistor toe getekend => bij NPN-transistor is de emitterstroom dan negatief, bij PNP-transistor is basis- en collectorstroom negatief.Transistor = transfert + resistor (transfert van weerstand: van kring met grote I (kleine R) naar kring met kleine I (grote R).Pijl in emitter => wijst altijd conventionele stroomzin van emitterstroom aan

Werking van de transistor

PNP-transistorB = basis = sturende klemC = collector = verzamelaar van gatenE = emitter = uitsturen van gatenTransistor in normale mode => BE-gebied in doorlaatrichting polariseren (ongeveer 0,7 V), CB-gebied in sper polariseren. Gatenstroom van E naar B => een klein deel van deze gaten recombineren met de (schaars) aanwezige elektronen in B => er gaat een klein deel van de emitterstroom naar de basis: Het grootste deel van stroomt door naar C (wordt aangetrokken door aangelegde negatieve spanning in C): We stellen nu dat met = gelijkstroomversterkingsfactor, dan geldt:

NPN-transistorB, C en E blijven dezelfdeTransistor in normale mode => BE-gebied in doorlaatrichting polariseren (ongeveer 0,7 V), CB-gebied in sper polariseren.Deze zijn nu dus omgekeerd gepolariseerd als bij de PNP, omdat het P- en N-materiaal omgewisseld is! Elektronenstroom van E naar B (gatenstroom in omgekeerde richting) => een klein deel van deze elektronen recombineren met de (schaars) aanwezige gaten in B => er komt een klein deel van de emitterstroom uit de basis: Het grootste deel van komt uit C (wordt aangetrokken door aangelegde negatieve spanning in E): We stellen nu dat met = gelijkstroomversterkingsfactor, dan geldt:

Basisconfiguraties van de transistor

GBS = gemeenschappelijke basisschakelingGCS = gemeenschappelijke collectorschakelingGES = gemeenschappelijke emitterschakeling

Voor de NPN-transistor:

GBSGESGCS

Voor de PNP-transistor: GBSGESGCS

Naast de normale mode kunnen we de transistor nog op 3 andere modes instellen: Inverse mode: emitter en collector van plaats verwisseld (zelden gebruikt) Gesperde mode: beide diodes in sperrichting gepolariseerd => de transistor werkt als een open schakelaar Verzadigde mode: beide diodes in doorlaatrichting gepolariseerd => de transistor werkt als een gesloten schakelaar

Toepassing: gestabiliseerde voeding

R1 = R2 = R3 = 1 kOp de klemmen sluiten we een verbruiker aan.T1 en T2 zijn in normale mode gepolariseerd.T1 is een grote weerstand => we beschouwen deze als een open schakelaar =>

Stel dat de verbruiker groter wordt => daalt => daalt => daalt => daalt => daalt => daalt => daalt => daalt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => spanning is geregeld

Stel dat de verbruiker kleiner wordt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => daalt => daalt => daalt => daalt => daalt => daalt => spanning is geregeld

Karakteristiek van de transistor

De volgende grafieken worden voorgesteld: Kwadrant 1: IC i.f.v. UCE met IB als parameter => uitgangskarakteristiek. Geeft het verband aan tussen de uitgangsspanning UCE en de uitgangsstroom IC: in het begin hebben we een kniezone tot UCE enkele tienden van een volt bedraagt, daarna verloopt de grafiek lineair.Belangrijk wanneer transistor in verzadiging gezet wordt, levert parameter hoe op. Kwadrant 2: IC i.f.v. IB met UCE als parameter => transfertkarakteristiek.Geeft het verband aan tussen de ingangsstroom IB en de uitgangsstroom IC: voor laagvermogentransistoren zeer rechtlijnige curve, voor vermogentransistoren niet meer rechtlijnig. Als we de ingangsstroom wijzigen, wijzigt de uitgangsstroom dus lineair mee => transistor is een stroomgestuurd element.Uit ieder punt kunnen we hFE = gelijkstroomversterkingsfactor aflezen. De raaklijn in ieder punt levert ons hfe = wisselstroomversterkingsfactor. Kwadrant 3: UBE i.f.v. IB met UCE als parameter => ingangskarakteristiek. Geeft het verband aan tussen de ingangsspanning UBE en de ingangsstroom IB: dit is eigenlijk de karakteristiek van de diode BE. Als we de ingangsspanning wijzigen, verandert de uitgangsstroom niet lineair => transistor is geen goed spanningsgestuurd element.Deze karakteristiek levert ons de parameter hie op. Kwadrant 4: UBE i.f.v. UCE met IB als parameter => reactiekarakteristiek.Geeft het verband aan tussen de ingangsspanning UBE en de uitgangsspanning UCE: er is praktisch geen reactie van de ingangsspanning op wijzigingen van de uitgangsspanning.Deze karakteristiek levert ons de parameter hre op.

Instellingen van de transistor

Instelling met basisweerstand

en gegevenVergelijking van de belastingslijn:

Constructie van de belastingslijn in kwadrant 1: 2 punten: Stel => Stel => Algemene regel: => zo kunnen we de verandering van de spanning in 2 richtingen (lager en hoger) het best bekijken.

Meestal zal gegeven zijn. Hieruit vinden we ook , en .

=> Geen stabiele schakeling, want is sterk T-afhankelijk => grote invloed op spanningen en stromen=> AC-gedrag bekijken: wisselstroomgenerator in serie met condensator (massa => basisklem transistor)=> Grote f en grote C => lage impedantie voor AC, oneindige impedantie voor DC (ontkoppelcondensator)

Instelling met een spanningsdeler

, en gegeven

Vuistregel: de stroom door moet minstens 10 maal groter zijn dan .

=> Basis nu op vaste potentiaal (verhouding tussen en bepaalt deze potentiaal)=> Voor en grote weerstanden kiezen (als ze te klein zijn => opwarmen; als ze te groot zijn => te klein)=> en zo kiezen dat => Als en niet in E12-reeks zijn => beiden in dezelfde richting afronden zodat verhouding niet te veel verandert=> Nieuw instelpunt berekenen (terugrekenen met E12-waarden)=> Nog steeds geen stabiele schakeling

Instelling met stroomtegenkoppeling

Gegeven: , , ,

We stellen: ( verwaarlozen)

=> Verwaarlozing van is niet erg omdat we toch afronden naar E12-waarden (zelfde manier als hiervoor)=> Stel stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => stijgt => daalt => daalt => daalt => tegenkoppeling=> In de praktijk nemen we

Instelling met spanningstegenkoppeling

Gegeven: , , ,

Stroom door is gelijk aan

=> Weer afronden naar E12-waarden en opnieuw berekenen=> Stel stijgt => , stijgen => stijgt => daalt => daalt => , dalen => tegenkoppeling=> In praktische schakelingen: stroom- en spanningstegenkoppeling in n schakeling

H7: De transistor als laagfrequent versterker

Schakeling voorstellen als black-box: We kiezen i1 en u2 als onafhankelijke veranderlijken, i2 en u1 zijn de afhankelijke veranderlijken De verbanden tussen deze veranderlijken kunnen we als volgt schrijven:

Zo kunnen we de transistor voorstellen met het (vereenvoudigde) hybride-model:Transistorh-modelvereenvoudigd h-modelDe gebruikte parameters: = ingangsimpedantie, uitgedrukt in = uitgangsadmittantie, uitgedrukt in S = wisselstroomversterking, dimensieloos = terugwerking, dimensieloosDe parameters en zijn meestal te verwaarlozen => vereenvoudigd h-model

AC-versterking

Instelling met basisweerstandSchakeling als volgt hertekenen: We werken op AC met hoge f => condensatoren hebben een lage impedantie => kortsluiten We zijn enkel genteresseerd in de AC => we negeren de DC-voeding We vervangen de transistor door zijn vereenvoudigd h-model

SpanningsdelerSchakeling hertekenen:

SpanningstegenkoppelingSchakeling hertekenen:

StroomtegenkoppelingSchakeling hertekenen:

Stroomtegenkoppeling met condensator over RESchakeling hertekenen:Het AC-equivalent is dezelfde schakeling als bij de spanningsdeler. Dezelfde formules zijn dus geldig.

H8: Veldeffect-transistors

Soorten en symbolen

JFETMOSFET

VerarmingstypeVerrijkingstype

N-kanaal

P-kanaal

JFET (Juction Field Effect Transistor)Werking van een N-kanaal JFET: Bestaat uit licht verontreinigd N-materiaal (kanaalzone) en klein stuk sterk verontreinigd P-materiaal Drain positief aansluiten t.o.v. source () Gate-source in sper polariseren () => er ontstaat een spergebied in het N-materiaal (dit is een zone waar geen ladingsdragers door kunnen) Sperspanning tussen gate en drain is groter dan tussen gate en source => sperzone is groter tussen gate en drain Breedte van het vrij blijvende gedeelte wordt kleiner naarmate sperzone groter wordt ( sterker negatief) We sturen de schakeling met de spanning Voordeel t.o.v. gewone transistor: gatestroom = 0 A (bronstroom bij gewone transistor is niet 0)

Werking van een P-kanaal JFET: Bestaat uit licht verontreinigd P-materiaal (kanaalzone) en klein stuk sterk verontreinigd N-materiaal Source positief aansluiten t.o.v. drain () Gate-source in sper polariseren () => er ontstaat een spergebied in het P-materiaal (dit is een zone waar geen ladingsdragers door kunnen) Sperspanning tussen gate en drain is groter dan tussen gate en source => sperzone is groter tussen gate en drain Breedte van het vrij blijvende gedeelte wordt kleiner naarmate sperzone groter wordt ( sterker positief) We sturen de schakeling met de spanning Voordeel t.o.v. gewone transistor: gatestroom = 0 A (bronstroom bij gewone transistor is niet 0)

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Werking van een N-kanaal MOSFET: Licht verontreinigd P-materiaal (substraat) en 2 eilanden van sterk verontreinigd N-materiaal Gescheiden door isolatielaag met daarop oxide (SiO2) => vormt condensator (=> symbool) Drain positief aansluiten t.o.v. source () Gate positief aansluiten t.o.v. source () Positieve spanning aan gate trekt elektronen in P-materiaal naar gate => vormt N-zone in het P-materiaal die verbinding (kanaal) vormt tussen N-eilanden (enhancement => verrijkingstype) Er zal stroom van drain naar source vloeien (want drain heeft hogere potentiaal) door dit kanaal Grotere => breder kanaal => meer stroom => sturen met spanning Soms ook al voorgegraven kanaal van N-materiaal (depletion => verarmingstype) => dan vloeit er al stroom van drain naar source zonder dat er spanning aan de gate aangelegd wordt (spanning aan gate verbreedt kanaal)Werking van een P-kanaal MOSFET: Licht verontreinigd N-materiaal (substraat) en 2 eilanden van sterk verontreinigd P-materiaal Gescheiden door isolatielaag met daarop oxide (SiO2) => vormt condensator (=> symbool) Source positief aansluiten t.o.v. drain () Source positief aansluiten t.o.v. gate () Negatieve spanning aan gate trekt gaten in N-materiaal naar gate => vormt P-zone in het N-materiaal die verbinding (kanaal) vormt tussen P-eilanden (enhancement => verrijkingstype) Er zal stroom van source naar drain vloeien (want source heeft hogere potentiaal) door dit kanaal Sterker negatieve => breder kanaal => meer stroom => sturen met spanning Soms ook al voorgegraven kanaal van P-materiaal (depletion => verarmingstype) => dan vloeit er al stroom van source naar drain zonder dat er spanning aan de gate aangelegd wordt (spanning aan gate verbreedt kanaal)H9: De opamp

Opamp = operational amplifier (operationele versterker)2 ingangen, n uitgangGentegreerde component ( discrete component)- ingang (inv. Input) => pootje 2+ ingang (non-inv. Input) => pootje 3Output => pootje 6V+ => pootje 7V- => pootje 4

Ideale opamp: Differentieelversterking Ingangsimpedantie Bandbreedte Common mode versterking 0 Uitgangsimpedantie 0 Drift- en offset-waarden 0

Specificaties van de opamp: Open loop voltage gain (open lus versterking) = de verhouding tussen de uitgangsspanning en de differentieel ingangsspanning. Open lus => geen terugkoppeling van uitgang naar ingang => maximale versterking van de opamp. Deze versterking is maximaal bij lage frequenties, neemt af met 20 dB per decade. Output resistance (uitgangsimpedantie) = uitgangsimpedantie van de opamp in open loop schakeling (0) Differential input resistance (ingangsimpedantie) = ingangsimpedantie tussen de twee ingangsklemmen () Rated output = maximaal vermogen dat geleverd kan worden Slewing rate = maximale verandering van de uitgangsspanning per tijdseenheid, uitgedrukt in V/s Settlingtime = tijd die verloopt tussen het aanleggen van een stapfunctie aan de ingang van de opamp en het bekomen van de gewenste uitgangsspanning (fout mag niet meer dan 0,1% bedragen). Dit is dus de tijd die de opamp nodig heeft om te reageren op een snel veranderende ingangsspanning

Door het niet ideaal zijn van de opamp ontstaan er enkele foutspanningen op de uitgang: Input offset voltage = differentieel DC-ingangsspanning nodig om de uitgang op 0 te krijgen Input bias current = de stroom die nodig is in iedere ingangsklem om 0 V uitgangsspanning te krijgen Input offset current = het verschil tussen de twee respectievelijke ingangsstromen van beide ingangen

Basisschakelingen met opamps

Open lus schakelingDe opamp versterkt het verschil tussen beide ingangen oneindig maal (begrensd door de bron). Beide ingangen op exact hetzelfde potentiaal => uitgangsspanning = 0 V Negatieve alternantie => spanning is positiever aan min-klem => uitgangsspanning streeft naar negatieve voedingsspanning Positieve alternantie => spanning is positiever aan plus-klem => uitgangsspanning streeft naar positieve voedingsspanningHet uitgangssignaal wordt dus een blokgolf die varieert tussen de negatieve en de positieve voedingsspanning.Het ingangssignaal is dus vervormd. Omdat het ingangssignaal vaak informatie draagt en deze informatie verloren gaat als het signaal vervormd wordt, wordt deze schakeling zelden gebruikt.

De inverterende versterkerDe ingangsimpedantie is => de ingangsstroom is 0 => De spanning tussen de ingangsklemmen moet 0 V zijn => => De min-klem van de opamp staat dus op potentiaal 0 V => =>

De uitgangsspanning is niet in functie van => we hebben een ideale bron.

De niet-inverterende versterkerDe ingangsimpedantie is => de ingangsstroom is 0 => De spanning tussen de ingangsklemmen moet 0 V zijn => => De min-klem van de opamp staat dus op potentiaal => =>

SpanningsvolgerDit is een bijzonder geval van de niet-inverterende versterker waarbij . Er loopt dan ook geen stroom meer door , het maakt dus niet uit welke waarde deze weerstand heeft. We kiezen .

Passen we de formule van de niet-inverterende versterker toe, dan bekomen we:

De uitgangsspanning volgt dus perfect de ingangsspanning => schakeling wordt gebruikt als buffer (scheiding).

Stroom-spanningsomzetting

Spannings-stroomomzettingSpanning tussen en +klem is 0 V => De stroom naar de klem is 0 A => Deze stroom kan echter niet te groot zijn => oplossing: transistor bijplaatsen (B aan uitgang opamp, E aan RL)=> Opamp moet slechts leveren, maar RL krijgt

VerschilversterkerDoel: het verschil tussen twee ingangssignalen versterken

We passen superpositie toe:1. Enkel : en hebben geen invloed (k t.o.v. T van de opamp) => de schakeling is een inverterende versterker

2. Enkel : en hangen beiden aan de massa en de +klem heeft oneindige impedantie =>

3. Totaal:

Als en , dan wordt dit:

Als , dan wordt dit:

Een nadeel aan deze schakeling is het feit dat en belast worden. Dit kan opgelost worden door spanningsvolgers voor en te plaatsen.

IntegratorVoor de condensator geldt:

Maar voor de stroom geldt: , dus wordt dit:

In differentiaalvorm wordt dit:

Beide leden integreren:

Voor vinden we dan:

M.a.w. de uitgangsspanning vormt de integraal van de ingangsspanning.Doel van de schakeling: plotse pieken in de ingangsspanning regelen.

Toepassingen

Schmitt-triggerR is een potentiometer => we kunnen de spanning die teruggekoppeld wordt naar de +klem regelen: In deze schakeling kan maar 2 waarden aannemen: , dan is , dan is De uitgangsspanning klapt om van V+ naar V- wanneer de ingangsspanning gelijk is aan de afvalspanning De uitgangsspanning klapt om van V- naar V+ wanneer de ingangsspanning gelijk is aan de aanspreekspanning Het verschil tussen de afval- en aanspreekspannning is de hysteresis:

Toepassing: thermostaat kom van temperatuursensor => als deze onder een bepaalde waarde zakt => slaat aan geeft signaal voor verwarmingselement => temperatuur zal terug stijgen => stijgt opnieuw

Schmitt-trigger met DC-verschuivingDe afvalspanning is nu: De aanspreekspanning is nu:Hieruit bekomen we voor en (met ):

Ideale enkelzijdige gelijkrichterPositieve alternantie => D geleidt => de schakeling is een spanningsvolger: Negatieve alternantie => D spert => Willen we een gelijkrichter op de negatieve alternantie (positieve alternantie wordt 0 V) => diode omdraaien.Toepassing: gelijkrichter voor kleine spanningen (bruggelijkrichter => verliezen in diodes).

Ideale dubbelzijdige gelijkrichterWe nemen Positieve alternantie: - en +klem van eerste opamp op zelfde potentiaal => Opamps hebben oneindige ingangsimpedantie en D2 spert => - en +klem van tweede opamp op zelfde potentiaal => en stromen door D1 naar V- van eerste opamp (D2 spert) Opamps hebben oneindige ingangsimpedantie => komt van V+ van tweede opamp Negatieve alternantie: - en +klem van eerste opamp op zelfde potentiaal => Omdat D1 spert en de en +klem van de tweede opamp op hetzelfde potentiaal staan kunnen we zeggen dat tak ABE parallel met tak AFG staat: en => en Hieruit volgt: en Opamps hebben oneindige ingangsimpedantie => komt van V+ van eerste opamp, door D2 Opamps hebben oneindige ingangsimpedantie => komt van V+ van tweede opamp

H10: Vermogenhalfgeleiders

Functie: schakelaar => beter dan regelbare weerstand (verlies) Unidirectioneel: thyristor, MOSFET, GTO Directioneel: diac, triac

De thyristorOpbouw: vierlagenstructuur van halfgeleidermateriaal (PNPN) => in feite combinatie van NPN en PNP-transistorDrie aansluitingen: anode, kathode en gate.De thyristor geleidt pas als er aan twee voorwaarden is voldaan: Anode op hogere potentiaal dan kathode () Ontsteking vereist: spanning op gate t.o.v. kathode (gestuurde diode)Spanning tussen anode en kathode = 220 V, spanning tussen gate en kathode = 5/12 V => als thyristor defect is staat er 220 V op het ingangssignaal van de gate => elektronica hierachter is stukOplossing: elektrische scheiding (transformator of opto-coupler)De gebruikte transformator is een pulstransformator (signaal op gate is single shot => 1 puls) Zeer klein Kern = lucht => zeer licht Puls wordt niet volledig omgezet => enkel hoge frequenties (gaan door lucht) Flank van blokgolf bevat alle frequenties => ook hoge => spike => voldoende om thyristor te ontsteken

Ontsteken van een thyristor Spanning => PN en PN in geleiding, NP in sper => geblokkeerde toestand Spanning vergroten => op bepaald punt zal thyristo beginnen geleiden = > geleidende toestand Er is dan ook => als thyristor geleidt heeft deze de latching current of vergrendelstroom bereikt Nu mag de spanning en stroom afnemen => thyristor blijft geleiden Als stroom zakt onder holding current of houdstroom => thyristor dooft Ontsteken kan sneller gebeuren als er een gatestroom wordt toegevoegd Ontsteking kan ook door temperatuurstijging Ontsteking kan ook door Rate-effect (steile flank van aangelegde kan gezien worden als gatestroom) Ontsteking kan ook door lichtinval (fotothyristor)

Doven van een thyristor Zorgen dat => PN en PN sperren => Thyristor kortsluiten => stroom door thyristor daalt tot onder Doofschakeling: TH1 is hoofdthyristor, TH2 is doofthyristor TH1 geleidt, TH2 is gedoofd, stroom gaat door R en RL => laadt C op (+ is rechts), dan door TH1 Puls op TH2 => ontsteekt => C staat nu parallel met TH, met + van C aan van TH1 Spanning aan van TH1 nu hoger dan + => TH1 dooft Nu gaat stroom door R en RL => laadt C omgekeerd op (+ is links), dan door TH2 Eenmaal C is opgeladen => stroom door RL wordt 0 A Stroom door R niet te groot () => TH2 dooft ook Nu ontlaadt C over R en RL

Bij gatespanning opletten voor Pmax! => kijken naar duty cycle:

=> Pmax overschreden => te klein