Elektroonika alused (õpik,konspekt) (6)

Uudo Usai
ELEKTROONIKA KOMPONENDID Elektroonika alused
TPT 1998 ELEKTROONIKAKOMPONEND1D lk.1
SISSEJUHATUS
Kaasaegsed elektroonikaseadmed koosnevad väga suurest hulgast elementidest, millest on koostatud vajaliku toimega lülitused. Otstarbe tähtsuselt jagatakse neid elemente põhi-ja abielementideks. Põhielementideks on need, milleta pole lülituste töö võimalik. Abielementideta on lülituste töö küll võimalik, kuid nendest sõltuvad suuresti seadme tarbimisomadused. Põhielemendid jagunevad omakorda passiiv - ja aktiivelementideks. Passiv - elementideks on takistid , kondensaatorid ja induktiivpoolid, aktiivelementideks dioodid , transistorid ja integraallülitused. Abielementideks on pistikud, ümberlülitid, klemmliistud, mitmesugused konstruktsioonelemendid jne. Käesolevas õppematerjalis käsitletakse passiivelemente ja aktiivelemente (v.a. integraallülitused), milledel põhineb enamike elektroonikalülituste töö. Välja on jäetud mõnede kitsamat huvi pakkuvate seadiste, nagu pöörddioodid, tunneldioodid ja ühesiirdetransistorid, kirjeldused. Käesoleva materjali koostamisel on arvestatud Tallinna Polütehnikumi õppeprogrammi aines "Elektroonika alused". Õppematerjal on koostatud ja välja antud EÜ abistamisprogrammi " Phare " raames. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 2
PASSIIVELEMENDID 1. TAKISTID Resistor :
1.1. Otstarve, liigid ja põhiparameetrid. Takisti on element mingi soovitava või kindla takistuse tekitamiseks vooluringis. Sellest tulenevalt käsutatakse neid kas voolu piiramiseks või pingelangu tekitamiseks. Takistid võivad olla kas lineaarsed või mittelineaarsed. Lineaartakistite vool on võrdeline talle mõjuva pingega. Mittelineaartakistite vool sõltub aga mõjuva pinge väärusest või veel mingist füüsikalisest tegurist, nagu näiteks temperatuur, valgus vm. Oma põhiparameetri - takistuse - sõltuvuse seisukohalt on takistid kas püsi- või muuttakistid. Püsitakistite takistus ei ole tema nimiarvust muudetav , muuttakistite takistus on soovi ja vajaduse kohaselt muudetav. Takistite põhiparameetriteks on: nimitakistus , tolerants , nimivõimsus ja piirpinge . Lisaks nendele antakse veel takistuse temperatuuritegur , suhteline mürapinge ja piirsagedus . Takisti nimitakistus on tema takistuse väärtus normaaltingimustel. Takisteid valmistatakse kordse väärtustega standardsetele normridadele. Normrea tähisele E järgnev arv näitab nominaalväärtuste arvu dekaadis. Enamlevinud normread on toodud tabelis 1.1.
TABEL 1.1. Takistite nimitakistuse kordsed väärtused (. k, M. G) normridade E6. E 12 ja E24 korral
E6 E12 E24 E6 E12 E24 E6 E12 E24 E6 E12 E24 0,1 0,1 0,10 1,0 1,0 1,0 10 10 10 100 100 100 0,11 1,1 11 110 0,12 0,12 1,2 1,2 12 12 120 120 0,13 1,3 13 130 0,15 0,15 0,15 1,5 1,5 1,5 15 15 15 150 150 150 0,16 1,6 16 160 0,18 0,18 1,8 1,8 18 18 180 180 0,20 2,0 20 200 0,22 0,22 0,22 2,2 2,2 2,2 22 22 22 220 220 220 0,24 2,4 24 240 0,27 0,27 2,7 2,7 27 27 270 270 0,30 3,0 30 300 0,33 0,33 0,33 3,3 3,3 3,3 33 33 33 330 330 330 0,36 3,6 36 360 0,39 0,39 3,9 3,9 39 39 390 390 0,43 4,3 43 430 0,47 0,47 0,47 4,7 4,7 4,7 47 47 47 470 470 470 0,51 5,1 51 510 0,56 0,56 5,6 5,6 56 56 560 560 0,62 6,2 62 620 0,68 0,68 0,68 6,8 6,8 6,8 68 68 68 680 680 680 0,75 7,5 75 750 0,82 0,82 8,2 8,2 82 82 820 820 0,91 9,1 91 910 ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 3
Tolerants on lubatav takistuse hälve nimitakistusest. See antakse protsentides ja ta näitab, kuipalju võib takistus nimitakistusest erineda. Tolerants sõltub nimitakistuste reast ja vastavad tolerantsid on toodud eelnevas tabelis. Nimivõimsus on suurim võimsus, millele vastavat soojust on takisti võimeline hajutama ilma lubamatu ülekuumenemiseta.. Takistite nimivõimsused on: 0,005; 0,062; 0,1; 0,125; 0,25; 0,33; 0,40; 0,50; 0,75; 1; 2; 5; 7,5; 10 jne W. Piirpinge väljendab takisti elektrilist tugevust ja see on suurim pinge, mida takisti talub kostvalt ilma sisemise läbilöögita.. Piirpinge on otseses sõltuvuses nimi- võimsusest. Takistuse temperatuuritegur (TKR) näitab takistuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel l K võrra. Sõltuvalt takisti tüübist võib see tegur olla kas positiivne või negatiivne. Mürapinge on takistil tekkiva nn. soojusliku müra efektiivväärtus (uV) temale rakenduva alalispinge l V kohta. Piirsagedus on suurim töösagedus, mil antud takisti töötab ilma parasiitmahtuvuste ja -induktiivsuste toime olulise mõjuta. Piirsagedus sõltub konkreetsest takisti tüübist. Takistite olulisemad parameetrid nagu nimitakistus, tolerants ja mõnikord ka võimsus kantakse markeeringuga takistitele. Markeering võib olla kas arv-, arvtäht- või värvkoodis. Ridade E6...E24 korral koosneb takistuse kood kahest numbrist ja tähest, mis väljendab takistusühikut: oomi () tähistab R või E või puudub täht üldse, kilo-oomi K, megaoomi M. Ühiku tähis asub takistust väljendava arvu järel, kui see on täisarv, kui aga see väljendub takistuse sajandikosades, siis paikneb see täht arvu ees, asendades nulli ja kõma. Täis- ja kümnendosast koosnevas takistusväärtuses asendab ühiku tähis kõma. Näiteks 68R tähendab 68, 36K - 36k, R68 - 0,68, 6K8 - 6,8k jne. Tolerants väljendatakse tähena koodi lõpus järgmise süsteemi kohaselt: B - 0,1%, C - 0,25%. D - 0,5%, E - 1%, G - 2%, J - 5%, K - 10%, M - 20%. Värvikoodiga markeerimisel on takistile kantud värvilised rõngad, millest esimene on nihutatud ühe otsa poole (joon. 1.1). Ridade E6...E24 korral tähistavad kaks esimest rõngast numbreid , mis väljendavad takistuse nimiväärtust, kolmanda rõngaga määratakse korrutaja, neljanda rõngaga tolerants (kui neljas rõngas puudub, on tolerants 20%). Takistitel, mille nimitakistus määratakse kolmekohalisena (read E48, E92, E 192), on koodis viis rõngast.
JOONIS 1.1 ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 4
Värvidele vastavad tähised on toodud tabelis l .2.
TABEL 1.2. Värv l .rõngas 2.rõngas 3. rõngas 4. rõngas (l. number) (2. number) (korrutaja) (tolerants)
Must 0 1 -
Pruun l 1 10 ±1%
Punane 2 2 l O2 ±2%
Oranz 3 3 l O3 -
Kollane 4 4 l O4 -
Roheline 5 5 l O5 ±0,5%
Sinine 6 6 l O6 +0,25%
Lilla 7 7 l O7 ±0,1%
Hall 8 8 l O8 ±0,05%
Valge 9 9 l O9 -
Kuld ±5%
Hõbe ±10%
Takistite tüübitähistes märgitakse nimitakistus sageli kolme- või neljanumbrilise koodiga , mille esimesed numbrid väljendavad takistust ja viimane järgnevate nullide arvu. Näiteks: 683 vastab takistusele 68 000 oomi. Takistite tüübitähised on toodud Ll.
1.2. Püsitakistid Püsitakisteid on konstruktsioonilt kolm liiki: masstakistid, kile- ehk kihttakistid ja traattakistid. Masstakisti on enamasti vardakujuline takistusmaterjalist keha, kuhu on ühendatud väljaviikjuhtmed ja mis väljastpoolt on käetud isolatsiooni ning kaitsekihiga (vt. joonis 1.2.) ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 5
Mass resistor
JOONIS 1.2
Takistusmaterjalina kasutatakse enamasti süsiniku ja kvartsliiva segu. Masstakistite iseloomustavad omadused on toodud tabelis 1.3.
TABEL 1.3
Omadus Piirkond
Nimitakistus 12...22M
Tolerants ±5%...±20%
Võimsus Kuni 2W
Töötemperatuur -25...+100°C
Takistuse +500 ppm/°C temperatuurikaitsetegur (TKR)
Omamüra Väga suur
Kile- ehk kihttakisti põhiosaks on portselantoru või varras, millele on kantud suure takistusega materjali kile, milleks võib olla grafiit , mingi metall või selle sulam , või metalli oksiid . Takistuskile on enamasti spiraalikujuline ja takistuse väärtus sõltuv keerdude arvust, kile paksusest ja kasutatava materjali eritakistusest. Kiletakisti ehitus on toodud joonisel 1.3. Film resistor ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 6
Toodetakse ka ristkülikulisi miniatuurseid ühendusviikudeta takisteid nn. pind- e. pealismontaazi tarbeks. Sõltuvalt kasutatud kilematerjalist on kiletakistite omadused mõneti erinevad. Nende põhiomadused on toodud tabelis: 1 .4.
TABEL 1.4 Grafiit Omadus Metall Oksiid
Nimitakistus 1...1M 1...1M 1...1M
Tolerants ±1%...10% ±0,1% ... 2% ±0,1%...±2%
Võimsus Kuni 0.5W Kuni 2W Kuni 4W
Töötemperatuur -50...+155°C -50...+175°C -50...+155°C
(TKR) -300 ppm/°C +50...+100ppm/°C 100ppm/°C
Omamüra Suur Väike Väga väike
Traattakisti põhiosaks on keraamilisele alusele keritud takistustraadist mähis. Takistustraadina kasutatakse neis kas konstantaani või nikroomi. Traattakisti ehitus on kujutatud joonisel l .4. Väljast on traattakisti kaetud enamasti kuumuskindla emailiga. Toodetakse ka metallkesta paigutatud takisteid, mis paremaks jahutamiseks võivad olla varustatud radiaatoriga või sellele kinnitamise võimalusega.
Wire resistor
JOONIS 1.4.
Kasutusala seisukohalt jagunevad traattakistid suurvõimsus- ja täppistakistiteks. Kuna traattakistite põhiosaks on traadist mähis, siis on ka tal alati mingi induktiivsus , mistõttu nende töösagedus on teistest takistitüüpidest madalam. Traattakistite üld- omadusi kirjeldatakse tabelis 1.5. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.7
TABEL 1.5. Omadus Suurvõimsustakistid Täppistakistid Nimitakistus 4,7 ... lOOk 0,1 ... 100 k Tolerants ±1% ... 20% ±0,01 ... 1% Võimsus Kuni 500W Kuni 1W Töötemperatuur -55...+200°C -55...+100°C TKR -80...+140ppm/°C 15ppm/°C Omamüra Väike Väike
Teatud eriotstarbeliste takistitena, nagu näiteks kõrgoomilised takistid takistusega kuni 100 G. valmistatakse ka siin mittekirjeldatud takistitüüpe.
1.3 Muuttakistid Muuttakistite takistus on soovi kohaselt muudetav. Muuttakistitel on isoleeralusele tekitatud takistuskeha, mille kummaski otsas on püsikontaktid ja üks muudetav kontakt, mille asendist takistus sõltub. Takistuskeha materjalina kasutatakse kas grafiidikihti, metallkeraamilist materjali (kermet) või takistustraadist lamemähist. Püsikontaktid on kujundatud väljaviikudena, muudetav kontakt aga kas liuguri või kruviga fikseeritava kontaktina. Otstarbelt jagunevad muuttakistid reguleertakistiteks ehk potentsiomeetriteks ja seadetakistiteks. Reguleertakisteid kasutatakse mingi parameetri sagedaseks reguleerimiseks (näit. helivaljudus raadiol), seadetakisteid aga mingi lülituse esmareguleerimisel (ka järelreguleerimisel). Liuguri liikumise trajektoori järgi liigitatakse reguleertakisteid pöördtakistiteks ja lükandtakistiteks. Pöördtakistitel toimub takistuse muutmine võlli pööramisega. lükandtakistitel liuguri sirgjoonelise nihutamisega. Seadetakistid jagunevad pöördtakistiteks ja kruvitakistiteks. Kruvitakisteid kasutatakse eriti täpsetel reguleerimistel, kuna neis toimub liugur liigutamine reguleerkruvi abil. Kaksiktakistitel on ühises korpuses kaks takistuskeha, kusjuures liugureid saab ja eraldi, tandemtakistitel on mõlema süsteemi liugurid kas ühisel võlli või lükandil. Muuttakisteid valmistatakse erineva reguleerimistunnusjoonega, mis näitab muudetava kontakti ja ühe püsikontakti vahelise takistuse muutust sõltuvalt liuguri pöördenurgast (pöördtakistitel) või lükandliuguri kaugusest algasendist. Reguleerimis- tunnusjooned on toodud joonisel 1.5.
JOONIS 1.5 ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.8
1.4. Varistorid Varistor on pooljuhttakisti, mille takistus väheneb tunduvalt sellele rakendatud pinge tõusmisel. Pinge - voolu tunnusjoon on sümmeetriline, mistõttu võib teda kasutada nii alalis - kui vahelduvpingel. Tüüpilised varistori takistussõltuvused ja pinge-voolu tunnusjooned on toodud joonisel 1.6. Peamiselt kasutatakse neid induktiivahelate kommutreerimisel tekkivate ülevõngete summutamiseks kuna teatud pinge ületamisel langeb järsult nende takistus. Väliselt on nad ketta - või silindrikujulised masstakistid, mis on valmistatud kas ränikarbiidist (SiC), tsinkoksiidist (ZnO) või titaanoksiidist (TiO). Varistoride toime tuleneb pinge suurenemisel tekkivatest kritallidevahelistest läbilöökidest, mis pinge tõustes suurendavad voolujuhtiva kanali ristlõiget ja vähendavad vastavalt takistust.
Varistor. Voltage dependent resistor (VTR)
JOONIS 1.6. 1.5. Termistorid Termistorideks nimetatakse pooljuhttakisteid, mille takistus sõltub tugevalt ja mittelineaarselt temperatuurist. Takistuse muutus on 3...10%/°C. Sõltuvalt valmista - miseks kautatud materjalidest võivad need olla kas negatiivse (NTC) või positiivse (PTC) takistuse temperatuuriteguriga. Termistoride takistussõltuvused on toodud joonisel 1.7. Joonis 1.7 ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.9
Termistore kasutatakse automaatikas väga mitmel otstarbel . Kasutust võib vaadelda kolme erineva kasutusviisina: 1) Termistori kasutatakse temperatuuriandurina, kusjuures ta soojeneb ainult ümbritseva keskkonna toimel (seda läbiv vool on väike). 2) Kasutatakse termistori soojenemist teda läbiva voolu toimel, kus teatud voolu väärtusest tekkib suhteliselt suur takistuse vähenemine (vt. termistori pinge-voolu tunnusjoon joon. 1.8.), mis on sobiv liigpinge kaitsmetes. 3) Kasutatakse termistori soojuslikku tasakaalu, kus ta soojeneb nii keskkonna kui ka läbiva voolu toimel. See reziim leiab käsutust tuletõrjeautomaatikas.
JOONIS 1.8. Termistoride põhiparameetrid on sarnased takistite parameetritega, nimitakistus (rida E6 või El2). hajuvõimsus. TTK ja lisaks veel soojuslik ajakonstant, mis on oluline automaatikaalastes rakendustes. 1.6. Fototakistid Fototakisti on pooljuhttakisti, mille takistus muutub sõltuvalt tema valgustamise tugevusest. Viinud fototakisti pimedast valguse kätte, muutub takistus tuhandeid kordi . Valguskiirguse toimel suureneb takisti materjalis laengu-kandjate arv ja nende liikuvus, mistõttu väheneb takistus. Ühendades fototakisti jadamisi koormustakistiga sõltub takistilt pingelanguna saadav signaal fototakisti valgustustugevusest. Fototakisti valmistamiseks kantakse valgustundliku pooljuhi kiht isoleeralusele, kuhu on kantud ka tavaliselt kammikujulised väljaviikudega ühendatud elektroodid . Valgutundlik kiht kaetakse läbipaistva kaitsekihiga ja nii saadud takistuselement paigutatakse plastkesta. Fototakisti tüüpiline takistussõltuvus ja konstruktsioon on toodud joonisel 1.9. Kasutatav pooljuhtmaterjal sõltub soovitavast spektraalsest tundlikkusest- nähtavale spektrile tundlike fototakistite valmistamiseks kasutatakse kaadmiumsulfiidi, infrapunakiirgusele tundlikele aga pliisulfiidi.
Light Dependent Resistor (LDR) ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 10
Fototakistite pimetakistus sõltub tüübist ja võib olla kümnetest kilo-oomidest sadade megaoomideni, sõltudes küllaltki oluliselt temperatuurist. Fototakisti iseloomustus-suuruseks on integraalne tundlikkus, mis on fotovool (valguse toimel tekkiv vool) valgusvoo ühiku kohta takisti pingel 1 V. Sõltuvalt tüübist on see 0,1... 1000 mA/lm · V. Fototakistite käsutamisel tuleb arvestada ka tema inertsiga, mis piirab tema kastamist sagedusteni kuni mõni tuhat hertsi.
2. KONDENSAATORID
Capacitor 2.1. Otstarve, liigid, parameetrid Kondensaator on mahtuvust tekitav element, millel on alati kaks elektroodi ehk plaati ja nendevaheline isolatsioonikiht. Kondensaatori mahtuvus sõltub elektroodide pinnast, nendevahelisest kaugusest ja isolatsiooni dielektrilisest läbitavusest. Kondensaatoreid kasutatakse laengu salvestamiseks, ahelate alalisvooluliseks eraldamiseks ja sagedusest sõltuva mahtuvustakistusliku elemendina. Nii nagu takistid jagatakse ka kondensaatorid püsikondensaatoriteks, mille mahtuvus ei ole muudetav ja muutkondensaatoriteks, mille mahtuvus on muudetav. Kondensaatorite põhiparameetrid on nimimahtuvus, tolerants, nimipinge ja mahtuvuse temperatuuritegur. Nimimahtuvus on kondensaatori mahtuvus normaaltingimustel. Selle väärtused vastavad sarnaselt takistitele normridadele E6, El2, või E24, mõnikord ka ridadele E48, E96 või El92. (vt. tabel 1.1). Tolerants ehk mahtuvushälve näitab, mitu protsenti võib kondensaatori mahtuvus olla nimimahtuvusest suurem või väiksem. Tolerants on enamasti ±20; ±10 või ±5%. Ühe rea nimiväärtusega kondensaatoreid võidakse toota mitme tolerantsiga. Kuni 10 pF kondensaatorite tolerants antakse absoluutväärtustes ±0,1; 0,25; 0,5; 1 ja 2 pF. Elektrolüütkondensaatorite tolerants võib olla -20 ... +100%. Nimipinge on suurim alalispinge, millel kondensaator võib püsivalt töötada. Mõnedel kondensaatoritüüpidel võidakse anda ka vahelduvpingeline nimipinge. Mahtuvuse temperatuuritegur näitab mahtuvuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel 1K võrra. See tegur võib reaalselt olla kas positiivne (temperatuuri tõustes mahtuvus suureneb), negatiivne (temperatuuri tõustes mahtuvus väheneb) või null, sõltuvalt kasutatava dielektriku materjalist. Kondensaatorite parameetrite tähistussüsteemis võib olla eri valmistajatel erinevusi. Eksimuste vältimiseks on otstarbekas kontrollida alati tähistussüsteemi tootevfirma kataloogist. Suuremagabariidilistel kondensaatoritel kantakse põhiparameetrid kondensaatorile. Näiteks 100UF/100V. Kui ühiku märk puudub, on mahtuvuse ühikuks mikrofarad ja pinge ühikuks volt. Näiteks 2,2/100=2,2uF/100V. Väikesegabariidilistel kondensaatoritel ühiku puudumine annab mahtuvuse pikofaradites. Kasutatakse ka lühendatud tähistust, näiteks u22=0,22uF või 2n2=2,2nF. ELEKTROONIKA KOMPONENDID lk. 11 Kasutatakse samuti ka kolmenumbrilist tähistust, kus kaks esimest numbrit on mahtuvus pikofaradites, kolmas number kordaja aste ja lisatav täht määrab tolerantsi allpooltoodud süsteemi kohaselt: F G J K M Q T Y S X ± ± ± ± ± +30 +50 +100 +50 +80 1,0 2,0 5 10 20 -10 -10 -10 -20 -20
Näiteks 473K=47*1000=47000 pF ±10% Võidakse kasutada ka teist tähte, mis määrab pinge, toodud süsteemi kohaselt:
B D E F G H S J K L N 6,3 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100
Väikestel kondensaatoritel kasutatakse ka värvikoodi, mis üldiselt sarnaneb takistitel kasutatuga, kuid esineb ka erinevusi. Näiteks puudub tavaliselt triipudel vahe nii, et laiem triip tähendab kaht või kolme samanumbrilist koodi. Kasutatakse ka koodi, kus esimese triibu värv määrab mahtuvuse kaks kohta, kolmas kordaja ja neljas nimipinge. Reeglina alustatakse koodi lugemist sealtpoolt, kus puuduvad väljaviigud või kus kooditriip on otsale lähemal. Põhjalikumalt on toodud koodid ja eri firmade tähistussüsteemid käsiraamatus LI.
2.2. Kondensaatori aseskeem Reaalsed kondensaatorid erinevad ideaalsest eelkõige neis esinevate kadude ja niinimetatud "keritud"' konstruktsiooni puhul ka mingi väikese induktiivsuse poolest. Nimetatud tegureid arvestades tuleks vaadelda kondensaatorit joonisel 2.1 toodud aseskeemi kohaselt.
JOONIS 2.1
Vaadeldaval aseskeemil kajastab Rp isolatsioonitakistust, Rs plaatide materjali takistust ja L kondensaatori induktiivsust ning C kondensaatori põhiparameetrit, s.o. mahtuvust Kadude määramise lihtsustamiseks võetakse kõik kondensaatori kaod kokku ühte järjestiktakistusse Rs ja väljendatakse nad nn. kaonurga tangensina:
tg = RS/XC = RSC
Toodud valemist selgub , et kaonurga tangens sõltub sagedusest. Reaalselt on see sõltuvus aga veelgi keerulisem. sest ka kadusid arvestav takistus sõltub sagedusest. Joonisel 2.2 on toodud näitena enamlevinud kondensaatorite kaonurga tangensi sagedussõltuvused. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 12
JOON.2.2.
Kondensaatorite valikul tuleb aga kindlasti ühe või teise kondensaatoritüübi sobivust käsutatavale sagedusele kontrollida tootevfirma kataloogi abil.
2.3 Püsikondensaatorid Sõltuvalt kasutatavast isolatsioonimaterjalist liigitatakse püsikondensaatorid kile, keraamika-ja elektrolüütkondensaatoriteks. Varem kasutati laialdaselt ka veel paber-ja vilkkondensaatorid. Kilekondensaatorite isolatsiooniks on mingi sünteetiline kile paksusega 2...20um ja plaatideks alumiiniumfoolium või kile pinnale kantud metallikiht. Ehituslikult on enamlevinud rullkondensaatorid, mille ehitus selgub jooniselt 2.3.
Film capacitor
JOONIS 2.3. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 13
Eri tüüpi kilekondensaatorite põhiandmed on võrdlevalt toodud tabelis 2.1
Tabel 2.1
Parameeter Polüester Polükarbonaat Polüstüreen
Mahtuvus 100pF...22nF 100pF...68uF 10pF...0,5u
Töösagedus 1 Mhz 1 Mhz 10 Mhz
Tolerants ±5...20% ±5...10% ±1...5%
Tööpinge 50...1600V 50...400V 50...500V
Töötemperatuur -55°C...+125°C -55°C...+125C -50°C...85°C
Temperatuuritegur +400...+200 ppm/°C 0...+100 ppm/°C -150...+50 ppm/°C
Tg 0,055...0,02 0,0015...0,005 0,0002...0,001
Dielektriline läbitavus 3,3 2,8 2,5
Peale nimetatute kasutatakse veel ka teisi materjale, nagu teflon jne. Kuna sageli samadel materjalidel on eri firmadel nimetused erinevad, tuleb alati kondensaatorite valikul hoolikalt kontrollida elektrilisi parameetreid kataloogidest. Keraamikakondensaatorid saadakse kui keraamilise isoleeraine tableti või torukese mõlemale pinnale kantakse metallikiht, mis on kondensaatori plaatideks. Plaadid ühendatakse väljaviikudega ja kondensaator kaetakse kaitsekompaundiga. Isoleeraineks on mitmesuguste metallide oksiidid ja nende segud. Sõltuvalt kasutatud isoleermaterjalist ja selle omadustest jagatakse keraamikakondensaatorid kahte põhi-liiki:
· esimest liiki kondensaatorite isolatsioon on väikese dielektrilise läbitavusega (3.550), kuid väikeste kadudega kõrgetel sagedustel ja väikese mahtuvuse temperatuuriteguriga; · teist liiki kondensaatorite isolatsioon on eriti suure dielektrilise läbitavusega kuni 20000 ja enam), mis võimaldab saada suuri mahtuvusi, kuid nende kaod on suured ja mahtuvus on suuresti ja mittelineaarselt sõltuv temperatuurist.
Kahe põhiliigi keraamikakondensaatorite põhiandmed on võrdlevalt toodud tabelis 2.2. ELEK TROON1KA KOMPONENDID lk. 14
Tabel 2.2
Parameeter 1.liik 2.liik
Mahtuvus 0,1pF...47nF 220pF...2,2uF
Töösagedus 1000 Mhz 100 Mhz
Tolerants 1...20% 5...20%
Tööpinge 10...100V 10...1000V
Töötemperatuur -55...+125 °C -55...+85 °C
Temperatuuritegur +100...-1500ppm/°C +100...-4700 ppm/°C
tg 0,001...0,0001 0,03...0,001
Elektrolüütkondensaatorites kasutatakse kondensaatori isolatsioonina alumiiniumi või tantaali (mõnikord ka nioobiumi) pinnale elektrolüütiliselt tekitatavat väga õhukest oksiidikihti. Tänu õhukesele isolatsioonile on elektrolüütkondensaatorid suure mahtuvusega. Anoodiks on oksüdeeritud metall ja katoodiks elektrolüüt. Kontakti saamiseks katoodiga kasutatakse kas kondensaatori kesta või on selleks teine elektrood . Elektrolüüt võib olla kas vedel või kuiv. Joonisel 2.4 on toodud alumiinium -elektrolüütkondensaatori ehitus. Kuna isolatsiooniks olev elektrolüüdikiht saadakse elektrolüütiliselt, töötavad elektrolüütkondensaatorid ainult kindla polaarsusega pingega, mida tuleb kasutamisel hoolikalt jälgida. On olemas ka kahepolaarseid elektrolüütkondensaatoreid, millel on ka teine plaat (elektrood) oksüdeeritud. Nende mahtuvused on aga väiksemad ja gabariidid suuremad
JOON.2.4.
Tänu suurtele mahtuvustele kasutatakse alumiinium-elektrolüütkondensaatoreid küllalt laialdaselt, kuid ehitusest tingituna saab seda teha ainult alalis- või pulseerival pingel. Nende puuduseks on mahtuvuse suur temperatuurisõltuvus, mahtuvuse kadumine seismisel (peale kuuekuulist seismist on soovitatav nad uuesti formeerida tööpingest väiksemal pingel) ja mahtuvuse kadumine väikesel tööpingel. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 15
Tantaal -elektrolüütkondensaatorid on nn. kuivad, kuna nad ei sisalda vedelat elektrolüüti. Anoodiks on tantaali tükike, mille pind oksüdeeritakse elektrolüütiliselt. Saadud oksiidikihi Ta2O dielektriline läbitavus on 25, mis võimaldab saada suuremaid mahtuvusi väiksemate gabariitide juures. Katoodiks on tantaalitükikesele kantud grafiidi ja hõbeda segu. Taolise kondensaatori ehitus on kujutatud joonisel 2.5
Tantalum Electrolytic Capasitor
JOON.2.5. Omadustelt on tantaal-elektrolüütkondensaatorid igati paremad kui alumiinium-elektrolüütkondensaatorid, kuid nad on ka märksa kallimad. Elektrolüütkondensaatorite parameetrid on toodud võrdlevalt tabelis 2.2.
Tabel 2.2 Parameeter Alumiinium Tantaal Nimimahtuvus 1...100000uF 0,1...1000uF Töösagedus 20 Khz 500 Khz Tolerants ±20% ±20% Tööpinge 3...600V 150 V Töötemperatuur -40...+85°C -55...+85°C Temperatuuritegur +2000ppm/°C +200ppm/°C tg 1,0...0,1 0,1...0,01 Dielektriline läbitavus 8...10 25 ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 16
2.4. Muutkondensaatorid Muutkondensaatori mahtuvus on muudetav. Kasutuselt ja ehituselt on neid kahte liiki: seade- ehk trimmerkondensaatorid, mida kasutatakse mingi seadme või sõlme esmahäälestamisel ja häälestuskondensaatorid, mida kasutatakse võnkeringide häälestamiseks seadme kasutamisel. Seadekondensaator koosneb paigalseisvast ja pööratavast osast ehk staatorist ja rootorist. Rootori pööramisel muutub osade omavaheline asend ja vastavalt ka mahtuvus. Enamasti kasutatakse keraamilise dielektrikuga seadekondensaatoreid, mille plaatideks on rootori ja staatori pinnale kantud hõbedakihid. On olemas ka Õhk- ja plastdielektrikuga seadekondensaatoreid.. Seadekondensaatorite mahtuvuse muutus on sõltuvalt tüübist 2...100 pF. Häälestus- ehk pöördkondensaatorid on seadekondensaatoritega mõneti sarnase ehitusega, kuna ka neis toimub mahtuvuse muutmine staatori ja rootori vahelise asendi muutmisega. Paralleelselt Ühendatud rootori ja staatori plaatide komplekt moodustab sektsiooni . Enamlevinud on kahesektsioonilised, kus kaks rootori sektsiooni paikneb ühisel võllil. Isolatsiooniks on kas plastkile või õhk. Õhkdielektriku korral on küll kondensaatori gabariidid suuremad, kuid nad on stabiilsemad ja nende kaod on kõrgematel sagedustel väiksemad.
Variable capacitor:
Trimmer capacitor: ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 17
3. INDUKTIIVPOOLID Coil Winding
Induktiivpool ehk lihtsalt pool on oma omadustelt kondensaatorile vastandelement, alalisvoolule on ta lühiseks ja tema näivtakistus suureneb sageduse suurenedes. Võrreldes takistite ja kondensaatoritega on ta palju vähem levinud, leides põhilist kasutust raadiotehnikas filtrite ja võnkeringide koostises. Pool koosneb alati isoleeralusele keritud suure juhtivusega mähisest, millel võib olla ka südamik Südamiku kasutamine aitab muuta (ka reguleerida) pooli põhiparameetrit s.o. induktiivsust. Induktiivsuse suurendamiseks kasutatakse ferromagnetilisi südamikke (enamasti magnetdielektrikuid või ferriite), vähendamiseks ülikõrgsagedustel aga diamagneetilisi südamikke (alumiinium, vask). Induktiivpooli skemaatiline ehitus on toodud joonisel 3.1.
JOONIS 3.1.
Poolis tekkivate kadude arvestamiseks, mis on eriti tähtis kõrgematel sagedustel, kasutatakse joonisel 3.2 toodud aseskeemi.
JOONIS 3.2.
Aseskeemil on C pooli keerdudevaheline mahtuvus, RS ekvivalentne kaotakistus, mis arvestab nii mähise kui ka isolatsiooni kadusid ja L pooli põhiparameeter -induktiivsus. Pooli kadusid ja kvaliteeti arvestatakse jälle tg kaudu:
tg = RS/XL=RS/L
Induktiivpoole valmistatakse ostutooteina ainult miniatuursete feriitsüdamikega ja poolidena pind- ehk pealismontaaziks induktiivsustega 1 uH ... 1 mH. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. I8
II POOLJUHTSEADISED
4. POOLJUHTIDE OMADUSI Semiconductor theory 4.1. Üldist Pooljuhtseadised on käesoleva sajandi teise poole tehnilise revolutsiooni peasüüdlasteks. Nendeta ei oleks personaalarvuteid, mobiiltelefone ega palju muud sellist, mis tunduvad meile nii igapäevasena. Võime julgesti öelda, et ilma pooljuhtseadisteta ei oleks praegust infoühiskonda. Soovides tehnikainimesena astuda tehnika arenguga ühte jalga, tuleb esmajärjekorras korrektselt omandada pooljuhtseadiste tööpõhimõtted. Samal ajal tuleb meeles pidada, et pooljuhttehnika on selle poole sajandi jooksul ise läbi teinud juba mitu arenguetappi. On olnud germaaniumi ajastu, kus enamik pooljuhtseadiseid valmistati germaaniumist, järgnes räniajastu, mis jätkub senini ja mille raames algas massiline integraallülituste tootmine ja kasutamine jne. See areng jätkub ja on väga raske ette arvata, milliseid üllatusi pakuvad meile järgnevad aastakümned. Ka kõige kaasaegsemate pooljuhtseadiste korral tuleb ikkagi arvestada nende kahe puudusega: omaduste sõltuvusega temperatuurist ja kiiret riknemis-võimalust ülekoormusel. Nende omaduste olemasolu ei tohi kunagi unustada.
4.2. Elektrijuhtivus pooljuhtides Pooljuhtideks nimetatakse suurt hulka aineid, mille elektri juhtivus on elektrijuhtide ja isolaatorite vahepeal . Elektrijuhtide mahueritakistus on vahemikus 10-4... 10-6*cm. isolaatoritel 1010 ... 1018 ·cm ja pooljuhtidele jääb küllaltki suur vahemik 10 ... 10 l 0 * c m. Kõigi pooljuhtide ühiseks oluliseks omaduseks on takistuse vähenemine temperatuuri tõusmisel. Tuntumad pooljuhtmaterjalid on germaanium , räni, seleen, galliumarseniid jt. Tänapäeval kasutatakse kõige enam räni. Räni (Si) on mittemetall, mida leidub looduses kvartsis ja ka paljudes ühendites. Maakoores leidub seda 27.6%. Räni sulamistemperatuur on 1415 °C. Kõik põhilised pooljuhtmaterjalid kuuluvad Mendelejevi tabeli 4. rühma ja neil on elektronstruktuuri väliskihis 4 elektroni, mis on pooljuhtidele tüüpiline. Enamikule tahketele kehadele , sealhulgas ka kasutatavatele pooljuhtmaterjalidele, on iseloomulik kristalliline ehitus. Kristallilise ehituse puhul paiknevad kõik aine aatomid ruumis kindlatel kohtadel ja on omavahel seotud. Pooljuhtide kristall -struktuuris on aatomid seotud kovalentsete ehk kaheelktroniliste sidemetega. On iseloomulik, et kovalentsetest sidemetest osavõtvad valentselektronid kuuluvad korraga nagu kahele aatomile. Seetõttu võib kujutleda, et aatomi välisorbiidil on kaheksaelektroniline stabiilne struktuur. Kirjeldatud kovalentsete sidemetega struktuuri kujutatakse skemaatiliselt joonise 4.1. kohaselt. Taolise struktuuri juures on kõik elektronid tugevalt seotud tuumaga ja vabu elektrone, mis oleks voolu tekitajaks ehk nn. laengukandjateks ei esine. ELEKTROONIKA KOMPONEND/D lk. 19
Ühised valentselektronid
JOONIS 4.1.
Sellist ideaalset struktuuri omavad keemiliselt puhtad pooljuhid absoluutse nulltemperatuuri juures (-273 °C). Säärases olukorras on kõik pooljuhid isolaatorid . Väliste tegurite mõjul võivad aga väliskihi elektronid saada juurde energiat ja lahkuda oma kohalt struktuuris, kuna selleks vajalik energia, nn. energeetiline keelutsoon on küllaltki väike (ränil 1,1 eV, germaaniumil 0,73 eV). Põhiliseks väliseks teguriks , mis soodustab juhtivuselektronide tekkimist on temperatuur. Nii on näiteks toatemperatuuril 1 cm3 ränis 1 0 . . . 10 vaba elektroni, samal ajal vases aga 10. Struktuurist lahkunud elektroni kohale jääb vaba koht. Seetõttu omandab aatom positiivse laengu, mille väärtus võrdub elektroni laenguga. Taolist vaba kohta nimetatakse auguks ja me võime teda vaadelda positiivse ühiklaenguna. Kuna auk omab positiivset laengut, võib ta tõmmata oma kohale struktuuris mõne kõrvalaatomi elektroni. Selle protsessi kordumisel auk nagu liiguks, kusjuures see liikumine on elektroni liikumisega vastassuunaline. Rakendades pooljuhile elektrivälja, hakkavad vabanenud elektronid liikuma elektrivälja suunale vastu ja tekkinud augud elektrivälja suunas, nii nagu käituks positiivne ühiklaeng. Kirjeldatud nähtust aitab selgitada joonisel 4.2 toodud skeem. Joonisel tähtedega tähistatud ridades on aine struktuur erinevatel ajahetkedel. Võime jälgida, kuidas toimub augu liikumine esimesest aatomist viiendani.
Elektron Neutr. Aatom Auguga aatom JOONIS 4.2.
Nagu joonisel toodud skeemil selgub, esineb üheaegselt nii elektronide kui aukude liikumine. Kui keemiliselt puhtas aines tekkib üheaegselt sama arv elektrone ja auke , nagu praegu kirjeldasime. siis on meil tegemist materjali omajuhtivusega. Kuna ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.20
laengukandjaid on siin kahesuguseid, eristatakse ka kahesugust juhtivust. Elektronide liikumisest tingitud juhtivust nimetatakse elektronjuhtivuseks ehk n-juhtivuseks (sõnast " negative "), aukude liikumisest tingitud juhtivust aga aukjuhtivuseks ehk p-juhtivuseks (sõnast " positive "). Peale omajuhtivuse on sobivate lisandite lisamisega materjalile võimalik kunstlikult tekitada täiendavat lisandjuhtivust. Lisanditest tingitud juhtivus on alati üheliigiline, s.t. kas elektron- või auk juhtivus. Lisand juhtivuse tekitamiseks lisatakse pooljuhtmaterjalile kas kolme- või viievalentseid lisandeid, mis peavad ise olema võimalikult puhtad lisandeist ja nende lisatav hulk peab olema selline, et säiliks aine tüüpiline kristallstruktuur. Vaatleme esmalt olukorda, kus põhiainele on lisatud viievalentset lisandit, milleks võib olla antimon (Sb), arseen (As) või fosfor (P ). Viievalentse lisandi aatom võtab aine struktuuris endale koha analoogiliselt põhiaine aatomile, kuid tema ühele elektronile ei leidu struktuuris kindlat kohta (vt. joonis 4.3). Esialgu see elektron püsib aatomi mõjupiirkonnas, kuid väga väikesegi lisaenergia saamisel ta lahkub oma aatomi juurest ja muutub juhtivuselektroniks.
N-Type semiconductor Electron
JOONIS 4.3.
Vaadeldud juhul tekkis aines lisandi mõjul n-juhtivus. Aine juhtivus on nüüd suurem ja vool tekib aines elektronide liikumisena. Lisanditena kasutatavaid n-juhtivust tekitavaid aineid nimetatakse doonoriteks. Pooljuhti, kus lisanditega on tekitatud n-juhtivus, nimetatakse n-pooljuhiks. Vastupidine pilt tekib siis, kui lisanditena kasutada kolmevalentseid aineid, nagu boori (B), galliumi (Ga) või indiumi (In). Sel juhul jääb struktuuris üks elektron puudu. See koht võib aga täituda kõrvalaatomi elektroniga ja tekibki struktuuri auk (vt. joonis 4.4). Seega tekitas kolmevalentne lisand aukjuhtivuse. Vool sellises p-pooljuhis tekkib aukude liikumisena. Aukjuhtivust tekitavaid lisandeid nimetatakse aktseptoriteks. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.21
JOONIS 4.4.
On muidugi ilmne, et lisandjuhtivuse augud ja elektronid käituvad analoogiliselt omajuhtivuse laengukandjatega. Üheaegselt lisandjuhtivusega esineb aines alati ka omajuhtivus , mistõttu materjalis leidub nii elektrone kui auke. Vastavalt kasutatud lisanditele on aga üks või teine ülekaalus, n-pooljuhis on ülekaalus elektronid ja nad on seal enamus-laengukandjateks ning seal leiduvad augud on vähemuslaengukandjateks; p-pooljuhis on aga vastupidi, enamuslaengukandjateks on seal augud ja vähemuslaengukandjateks elektronid. Kuna pooljuhtseadiste töös on vähemuslaengukandjad enamasti ebasoovitavaid nähtusi esilekutsuvaks põhjuseks, siis püütakse pooljuhtmaterjalide omajuhtivust võimalikult vähendada. Kirjeldatust nähtub, et pooljuhtide elektrijuhtivus on oluliselt seotud nende ainete kristallstruktuuriga. Ideaalse kristallstruktuuri saamiseks peavad ained olema aga väga puhtad. Nii näiteks lubatakse enamiku seadiste lähtematerjaliks oleva omajuhtivusega pooljuhile (nn. i- pooljuht ) lisandeid vaid üks aatom tuhande miljoni põhiaatbmi kohta (1/109). Samuti on piiratud ainesse viidavate lisandite hulk, et säiliks põhiaine struktuur. Lisandite lubatav kontsentratsioon on üks aatom kümne miljoni põhiaatomi kohta (1/107). Seega võime öelda, et pooljuhtseadiste valmistamise keerukas tehnoloogia algab eriti puhaste ainete saamisest.
4.3. p-n- siire ja tema alaldav toime The p-n Junction Kui ühes pooljuhtkristallis tekitada kaks erineva juhtivusega osa, üks elektronjuhtivusega ja teine aukjuhtivusega, siis nende erinevate juhtivustega osade üleminekupiirkonda nimetatakse p-n-siirdeks. p-n-siirdes tekkivad nähtused ja tema omadused on enamiku pooljuhtseadiste töö aluseks. Praktiliselt saadakse selline olukord pooljuhtkristalli erinevate lisandite sisseviimise teel. Sellises kristallis on n-osas külluses elektrone ja p-osas külluses auke. Difusiooni toimel hakkab taolises olukorras toimuma laengukandjate vahetus. Seda olukorda võime vaadelda järgmiselt. Nimelt on n-osas hulk elektrone, milledel puuduvad struktuuris kohad. Need kohad on aga vabad kõrvalolevas p-osas. Sellises olukorras hakkavad elektronid soojusliku difusioonse liikumise tulemusena liikuma p-osas olevatele vabadele kohtadele. Laengute liikumise tulemusena saab p-osa laenguid juurde ja omandab negatiivse laengu, n-osa aga kaotab samapalju elektrone ja omandab seega positiivse laengu. Need laengud vahetuvad ainult piirkihis, sest difusiooni teel liikudes ei jõua laengukandjad kaugele ja seda liikumist hakkab takistama ka tekkiv elektriväli. Joonisel 4.5. on selgitatud seda nähtust ruumilaengu tiheduse ja potentsiaalide erinevuse graafiku abil. Tekkivat potentsiaalide vahet nimetatakse potentsiaalibarjääriks. ELEKTROONIKA KOMPONEND1D lk. 22
JOONIS 4.5.
Kui aga on olemas erinimelised laengud ja potentsiaalide vahe, siis esineb ka elektriväli Epn, mis on suunatud n-osast p- ossa . Tekkinud elektriväli on aga suunatud laengukandjate liikumusele vastu ja laengukandjate liikumine ühest osast teise toimub seni, kuni nende endi poolt tekitatud elektriväli selle katkestab. Tuleb aga märkida, et tekkinud elektriväli soodustab vähemuslaengukandjate liikumist. On võimalik elektronide liikumine p-osast n-ossa ja aukude liikumine n-osast p-ossa. Vähemuslaengukandjate liikumise tõttu võib potentsiaali barjäär väheneda, kuid niipea, kui see esineb, kompenseeritakse see täiendavate enamuslaengukandjate ühest osast teise liikumise teel. Olukorda võime vaadelda ka sellisena, nagu tekiks erinevate osade vahel isoleeriv tõkkekiht, sest piirikihis on ruumilaengu tihedus null, s.t. puuduvad voolu tekkimiseks vajalikud laengukandjad. Kui ühendada p-n-siire pingeallikaga selliselt , et pingeallika plussklemm oleks ühendatud n-osaga ja miinusklemm p-osaga, siis on vooluallika poolt tekitatud elektriväli samasuunaline p-n-siirde elektriväljaga (vt. joonis 4.6). Elektriväljade liitu- mise tõttu suureneb summaarne potentsiaalibarjäär veelgi. Samal ajal leiab aset ka enamuslaengukandjate liikumine (pingeallika elektrivälja mõjul) pingeallika klemmide poole ja ruumilaengu tihedus suureneb veelgi. Kuna elektriväli on nüüd siirdes eelnevaga võrreldes veelgi tugevam, siis ei saa enamuslaengukandjad siiret üldse läbida.
Reverse - Biased Junction
JOONIS 4.6. ELEKTROONIKAKOMPONEND1D lk.23
Seda olukorda võib kujutada ka nii, nagu muutuks tõkkekiht paksemaks. Selliselt pingestatud siirde olukorda nimetatakse vastupingereziimiks. p-n-siiret läbib vastupinge olukorras ainult väga nõrk vool, mida nimetatakse vastuvooluks. Vastuvoolu põhjustajaks on vähemuslaengukandjad. Tingituna vähemuslaengukandjate piiratud kontsentratsioonist ei sõltu vastuvool siirdele rakendatud vastupingest. Täpsemalt asja uurides selgub, et vastuvool koosneb mitmest komponendist, millest osa sõltub ka rakendatud pingest . Seetõttu võime ka praktiliselt märgata vastuvoolu mõningat sõltuvust vastupingest. Vastuvool sõltub samuti ka materjalist. Ränil on see märksa väiksem kui germaaniumil. Kui ühendada p-n-siire vastupidise polaarsusega pingeallikaga, siis on ka esinevad nähtused vastupidised (vt. joonis 4.7). Sel juhul on välise pingeallika poolt tekitatud elektriväli suunatud vastu p-n-siirde elektriväljale ja siirdes mõjuv elektriväli hakkab vähenema, muutub nulliks ja siis muudab koguni suunda. Samal ajal liiguvad enamuslaengukandjad siirde suunas, kuni laengud siirdes kaovad koos potentsiaali-barjääri kadumisega.
Forward-Biased Junction
JOON.4.7.
Sellises olukorras hakkavad enamuslaengukandjad soodustatult läbima siiret ja kogu vooluringi läbib tugev vool. Selliselt pingestatud siirde olukorda nimetatakse ava- ehk pärisuunareziimiks ja esinevat voolu ava- ehk pärivooluks. Seega näeme, et p-n-siirdel on ventiili omadus juhtida voolu ühes suunas, p-n-siire ongi sellest omadusest tulenevalt pooljuhtdioodide põhiosaks. Eri materjalidel on potentsiaalibarjäär erinev ja sellest tulenevalt algab ka pärivool erinevatel pingete väärtustel. Joonisel 4.8 on toodud räni ja germaaniumi p-n- siirete pinge-voolu tunnusjooned, p-n-siiret võime vaadelda ka kui muutva takistusega elementi, mille takistus oleneb rakendatud pingest (joonis 4.9). Päripingel on takistus väike, vastupinge korral aga suur.
JOONIS 4.8. JOONIS 4.9. ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk.24
Temperature Effects 4.4. p-n siirde omaduste sõltuvus temperatuurist Nagu eespool märgitud, on lisanditeta pooljuht absoluutsel nulltemperatuuril dielektrik . Lisanditega pooljuht on aga ka sellises olukorras küllaldase juhtivusega. Seetõttu võiks p-n-siire töötada väga madalatel temperatuuridel . Tehnoloogilistel ja konstruktiivsetel põhjustel loetakse enamiku pooljuhtseadiste alumiseks töö-temperatuuripiiriks -60 °C. Temperatuuri tõusuga omandavad elektronid suurema energia ja omajuhtivus suureneb. Lisandjuhtivus sõltub samuti teataval määral temperatuurist, mingi temperatuuri juures on lisandid ära andnud kõik oma laengukandjad ja edasise temperatuuri tõusuga lisandjuhtivus enam ei suurene. Samal ajal aga suureneb pidevalt omajuhtivuse laengukandjate arv, kuni omajuhtivus saab lisandjuhtivusest suuremaks . Säärases olukorras kaob potentsiaalibarjäär ja kaob p-n-siire koos ventiiliomadustega. Toodud põhjustel on pooljuhtseadiste töötemperatuur piiratud. Lubatav töötemperatuur.sõltub materjalist ja on räni puhul 120...200 °C (germaaniumil 70...90 °C). Kirjeldatud nähtus avaldub p-n-siiret läbiva voolu suurenemises temperatuuri tõusmisel. Seejuures on vastuvoolu suurenemine tugevam, kuna kõik vastuvoolu põhjustavad laengukandjad on pärit omajuhtivusest, pärivoolu suurenemine aga väiksem kuna vaid osa pärivoolu põhjustavatest laengukandjatest on pärit omajuhtivusest. p-n-siirde tunnusjoon erinevatel temperatuuridel on toodud joonisel 4.10. Vastuvoolu sõltuvus temperatuurist on eksponentne. Vastuvoolu suurenemise hindamiseks võime kasutada järgmist reeglit: vastuvool suureneb kahekordseks temperatuuri tõustes 8.. 10 °C võrra.
JOONIS 4.10.
4.5. p-n-siirde omaduste sõltuvus sagedusest p-n-siirde talitus sõltub ka rakendatud pinge sagedusest Sageduse mõju saab selgitada joon.4.11. toodud aseskeemiga. Toodud skeemil kujutab Rm pooljuhtmaterjali takistust, R p-n-siirde takistust ja mahtuvus C siirde mahtuvust. Mahtuvus C koosneb omakorda kahest osast: a) laengumahtuvusest, mis on tingitud erinevates pooljuhtides paiknevatest laengutest ja b) difusioonimahtuvusest, mis tekib töö käigus difundeeruvate laengukandjate vahel. Lihtsustatult võime neid vaadelda ühise mahtuvusena. Kuna sõltuvalt rakendatud pingest muutub tõkkekihi paksus, siis muutub koos sellega ka dioodi mahtuvus. Rakendatava pinge sageduse suurenemisel hakkab avalduma mahtuvuse shunteeriv mõju, mis avaldub vastusuuna reziimis, kus siirde takistus väheneb mahtuvusjuhtivuse suurenemise tõttu. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 25
JOONIS 4.11. JOONIS 4.12.
Teiseks sagedust piiravaks teguriks on p-n-siirde inerts . Kui siirdele mõjub päripinge, siis tõkkekiht puudub. Kui aga rakenduv pinge muudab polaarsust, siis tekib tõkkekiht. Tõkkekihi tekkimine ei toimu aga momentaalselt, vaid alles mõne hetke möödumisel. Kui tõkkekiht ei ole veel kujunenud, siis läbib siiret vool ka negatiivse poolperioodi algul (joonis 4.12). Kirjeldatud nähtus ilmneb kõrgetel sagedustel vastuvoolu suurenemisena. Aega, mis kulub tõkkekihi taastamiseks pinge polaarsuse muutumisel, nimetatakse taastumiskestuseks ja selleks loetakse ajavahemikku, mille jooksul vastutakistus saavutab 90% oma väärtusest pärast ümberlülitumist päripingelt vastupingele.
4.6. p-n-siirde läbilöök Breakdown p-n-siirde pärisuunareziim on piiratud suurima lubatava pärivooluga. Lubatav pärivool sõltub siirde mõõtmetest ja kasutatud materjalist. Vastusuuna reziim on aga piiratud suurima lubatava vastupingega. Selle pinge ületamisel võib tekkida p-n-siirde läbilöök ja tema omaduste kadumine. Suurim lubatav vastupinge on määratud siirde vastusuuna ping-voolu tunnusjoonega (joonis 4.13). p-n-siirde läbilöök võib toimuda kahel põhjusel: 1) põrkeionisatsiooni mõjul; 2) elektronide ja tuumade sidemete puruksrebimise tõttu tugeva elektrivälja toimel. Põrkeionisatsioon võib tekkida vastuvoolu tekitavate laengukandjate kiirendamisel. Kui need laengukandjad omandavad elektrivälja toimel küllaldase kiiruse, siis võivad nad hakata ioniseerima aine aatomeid, millega kaasneb laengukandjate arvu suurenemine laviinitaolise protsessina.
JOONIS 4.13. JOONIS 4.14. ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk.26
Elektronide ja tuuma sidemete purustamine leiab aset elektrivälja küllalt suurel tugevusel (germaaniumil 105 V/cm, ränil 106 V/cm), kuid kuna p-n-siire on väga õhuke, siis esineb see nähtus reaalsete pingete juures enamasti üheaegselt põrkeionisatsiooniga. Germaaniumis tekib läbilöögi algul siirdes ka soojust, mis omakorda põhjustab täiendavate laengukandjate tekkimist ja vastuvoolu suurenemist . Ränis aga soojuse toimel täiendavaid laengukandjaid ei teki, sest ränis on elektronide ja aatomite vahelised seosed tunduvalt tugevamad. Kuna ränis soojuslikud nähtused läbilööki ei mõjuta, avaldub räni puhul siirde läbilöök järsult ja alati teatud kindla pinge juures (joonis 4.14), mistõttu on ka räni puhul lubatavad vastupinged suuremad. Kuna temperatuuri tõustes suureneb vastuvool, siis suureneb ka põrkeionisatsiooni võimalus ja selle tulemusena temperatuuri tõusuga läbilöögipinge väheneb. Kuna läbilöögi puhul esinevad voolud võivad olla küllaltki suured, siis kaasneb läbilöögiga ka enamasti siirde hävimine.
4.7. Metalli-pooljuhi kontakt Pooljuhtseadiste valmistamisel on sageli tegemist pooljuhi ja metalli kontaktiga, milline võib käituda mitmeti sõltuvalt sellest, milline on metalli ja pooljuhi väljumistööde suhe. Väljumistööks nimetatakse energiat, mida elektronil on minimaalselt vaja ainest väljumiseks. Kui ühendada kaks erineva väljumistööga ainet, siis elektronid liiguvad sellesse ainesse, kus väljumistöö on suurem, kuna nad pääsevad väiksema väljumistööga (kergemini) ainest liikuma.. Metalli ja pooljuhi kontakti seisukohalt on võimalik neli huvipakkuvat varianti:: 1) ühendatud on metall ja n-pooljuht, kus metalli väljumistöö on väiksem; 2) ühendatud on metall ja p-pooljuht, kus pooljuhi väljumistöö on väiksem; 3) ühendatud on metall ja n-pooljuht, kus pooljuhi väljumistöö on väiksem; 4) ühendatud on metall ja p-pooljuht, kus metalli väljumistöö on väiksem. Esimesel juhul liiguvad elektronid metallist pooljuhti ja küllastavad metallialuse tsooni elektronidega (tekib nn. n+ kiht). Selle kihi juhtivus on tavalisest suurem ning metalli ja pooljuhi vahel tekib hea kontakt. Teisel juhul liiguvad elektronid pooljuhist metalli, lahkunud elektronide tõttu suureneb aukude kontsentratsioon metalli aluses kihis (nn. p+ tsoon) j - saame jällegi parema juhtivusega kontakti. Kolmandal juhul liiguvad elektronid n-pooljuhist metalli ja nende lahkumise tõttu jäävad sinna augud. Tekib potentsiaalibarjäär ja p-n- siirdega sarnane olukord, mida nimetatakse Schotky siirdeks. Sellenimeline mees kirjeldas vaadeldavaid nähtusi juba 1938. a. Seda olukorda kasutatakse Schotky dioodides, kus metalliks on alumiinium ja pooljuhiks n-pooljuht. Neljandal juhul saame samuti Schotky siirde, kuna metallist liiguvad elektronid pooljuhti ja tekitavad seal n-juhtivusega tsooni sellega kaasneva potentsiaalibarjääriga. Seda olukorda kasutatakse Schotky dioodides, kus metalliks on kuld ja pooljuhiks p-pooljuht. Ülalkirjeldatud olukorrad on kujutatud joonisel 4.15. Schotky siiret kasutatakse kaasajal laialdaselt mitmeks otstarbeks nn. Schottky dioodides. Võrreldes teiste siiretega on tema eripäraks väiksem avanemispinge nii, et pärisuuna pingelanguks kujuneb 0,2...0,7 V. Samuti on väike siirde mahtuvus ja vastusuunatakistuse taastumiskestus. Lubatavad vastupinged on väiksemad ja vastuvool suurem kui p-n-siirdel. ELEKTROONIKAKOMPONEND1D lk.27
JOONIS 4.15
5. POOLJUHTDIOODID
5.1. Pooljuhtdioodide liigid Poojuhtdioodid on pooljuhtseadised, mille põhiosaks on pooljuhtkristalli tekitatud p-n-siire, mis on varustatud eri osadega ühendatud viikudega ja paigutatud standardsesse kesta. Kest võib olla kas klaasist, plastist või metallist. Metallkesti kasutatakse reeglina suurevoolulistel dioodidel ja tavaliselt on see parema jahutuse võimaldamiseks ühendatud dioodi katoodiga. Kasutusel on olnud erinevaid dioodide liigitusi , praegu on enamlevinud dioodide liigitus lähtudes nende kasutusalast. Kui dioodis leiab kasutust p-n-siirde põhiomadus s.o. ühesuunaline elektrijuhtivus ehk ventiili toime, nimetatakse neid dioode põhidioodideks ehk lihtsalt dioodideks. Kui aga leiab kasutust mõni p-n-siirde eriomadus, nagu näiteks p-n-siirde mahtuvus, siis on tegemist eriotstarbeliste dioodidega. Põhidioodideks on alaldusdioodid ja lülitidioodid (ka universaal ja impulssdioodid). Eriotstarbelistest dioodidest on enamlevinud stabilitronid, mahtuvusdioodid , fotodioodid. Dioodide põhiparameetrid on järgmised: 1. suurim lubatav pärivool IFMAX, mis antakse dioodi tüübist sõltuvalt kas keskväärtusena, maksimaalväärtusena või impulssvooluna, viimasel juhul antakse ka impulsi kestus; 2. suurim lubatav vastupinge U RMAX , mis antakse samuti, kas alalis-, kesk- või maksimaalväärtusena; 3. pingelang pärireziimis UF, antakse kas suurimal pärivoolul või kui mingil muul voolul, siis antakse pärivoolu väärtus; 4. suurim alalisvastuvool, mis on suurim lubatav vastuvool antud vastupingel; 5. vastutakistuse taastumiskestus t rr , niis on ajavahemik päripingelt vastupingele lülitamise hetkest kuni hetkeni, mil ümberlülitumisel kujunev vooluimpulss kahaneb etteantud väärtuseni (vt. joonis 5.1).
JOONIS 5.1. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.28
Sõltuvalt konkreetsest dioodi kasutamise otstarbest võidakse kasutada ka veel teisi parameetreid. 5.2. Alaldusdioodid Rectifier Diode Alaldusdioodid on ette nähtud vahelduvvoolu muundamiseks alalisvooluks toite otstarbel. Seega on nad suurevoolulised dioodid, mille lubatav pärivool on mõnesajast milliamprist sadade ampriteni. Dioode, mille lubatav pärivool on suurem kui 10A, nimetatakse ka jõudioodideks. Sageli valmistatakse alaldusdioode dioodsiIdadena, kus sildlülitusse ühendatud dioodid on paigutatud ühisesse kesta. Lubatav vastupinge ulatub alaldusdioodidel sadadest tuhandete voltideni. Töö- sagedused olid varem alaldusdioodidel madalad ja reeglina ei ületanud 5 kHz. Praeguseks , tänu muundamisega toiteplokkide laiale levikule, ulatuvad need aga sadade kilohertsideni. Sellest tulenevalt liigitavad mõned firmad alaldusdioode vastusuunatakistuse taastumiskestusest sõltuvalt tavalisteks, kiireteks ja ülikiireteks alaldusdioodideks. Nendest tavalistel taastumiskestust tn ei normeerita, kiiretel on see >100 ns ja ülikiiretel |U B E | Kõige enamkasutatavad CE lülituse tunnusjooned antakse sageli käsiraamatutes ühistel telgedel, nagu on näitena toodud joonisel 6.16.
JOONIS 6.16.
6.4.3.CC lülituse tunnusjooned. Ühise kollektoriga lülituse suurim tunnusjoonte erinevus senivaadelduist tuleneb sellest, et sisendtunnusjooned ei ole enam p-n-siirde pärisuunatunnusjooned, kuna Usis = UBE. ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk. 42
Sellest tulenevalt on nüüd sisendtunnusjooneks IB = f ( UBC), kui UCE = const . Vastavad sisendtunnusjooned on toodud joonisel 6.17.
JOONIS 6.17.
Sellele lülitusele on iseloomulik, et UBE = UCE - UCB, millest tulenevalt on baasivoolu tekkimine võimalik ainult siis, kui baasi ja kollektori vaheline pinge on vastavalt (0,5..0,7V) kollektori ja emitteri vahelisest pingest väiksem. Kui need pinged võrdsustuvad, muutub sisendvool nulliks, kuna emittersiirdele ei tule enam pärisuuna-pinget. Seevastu väljundtunnusjoontena võime kasutada CE lülituse väljundtunnusjooni. Ainsaks erinevuseks on see, et väljundvooluks on nüüd kollektorvoolu asemel emitterivool, mis erineb viimasest ainult mõne protsendi võrra.
6.5. Transistori parameetrid Peale staatiliste tunnusjoonte kasutatakse transistoride omaduste iseloomus - tamiseks veel mitmeid parameetreid. Parameetrid iseloomustavad transistori omadusi teatud kindlas tüüpreziimis ja võimaldavad sageli arvutusi lihtsustada. Transistoride puhul on otstarbekas arvutusteks kasutada parameetreid neil juhtudel, kui sisend - signaalid on väikesed. Suurte sisendsignaalide puhul on õigem valida reziim ja teha arvutused grafoanalüütilistel meetoditel. Sel juhul sooritatakse arvutused põhiliselt staatiliste ja dünaamiliste tunnusjoonte abil. Arvutustulemuste erinevus on tingitud tunnusjoonte mittelineaarsusest, mida parameetrid ei arvesta. Väikestel signaalidel aga võime lugeda tunnusjooni tööpunkti ümbruses lineaarseiks ja see võimaldabki kasutada parameetreid kui kindlaid arvudena väljenduvaid seoseid . Ka on parameetrid kui arvväärtused hästi kasutatavad eri transistoride võrdlemiseks.
6.5.1. Transistori parameetrite süsteemid ja aseskeemid. Transistoride omaduste iseloomustamiseks võime kasutada z-, y- ja h-parameetrite süsteeme. Erinevatel parameetrite süsteemidel on aseskeemid erinevad. Mitmesuguste elektriahelate analüüsimisel kasutatakse kaasajal nn. neliklemmi mõistet. Neliklemmina võime vaadelda igasugust elektriahelat, kui tal on kaks sisend-ja kaks väljundklemmi. Teades ja kirjeldades matemaatiliselt sisend- ja väljundsuuruste vahelisi seoseid saame otsustada neliklemmi omaduste üle ilma, et tema sisemine lülitus meid üldse huvitaks. Neliklemmid jagunevad passiivseteks ja aktiivseteks neli-klemmideks. Passiivsel neliklemmil on alati võimsus väljundis väiksem kui sisendis , s.t. temas ei leidu pinge- ega voolugeneraatoreid. Aktiivsel neliklemmil on aga väljundis võimsus suurem kui sisendis, st. ta sisaldab kas voolu- või pingegeneraatoreid, mille abil tuuakse energiat juurde. Just sellise aktiivse ELEKTROONIK.4KOMPO.YENDID lk. 43
Neliklemmi skeem koos kokkuleppeliste voolude ja pingete suundadega on toodud joonisel 6.18.
JOONIS 6.18.
On ilmne, et nimetatud joonisel kujutatud neliklemmi väljundpinge U2 sõltub sisendvoolust I1 ja väljundvoolust (koormusest) I2. Samuti sõltub sisendpinge sisendvoolust I1 ja väljundvoolust I2. Sisend- ja väljundpingete muutused U1 ja U2, mida võime vaadelda vahelduvsignaalidena, sõltuvad seega voolu muutustest I1 ja I2. Eeldades nende sõltuvuste lineaarsust, võime kirjutada:
On ilmne, et need tegurid on takistuse dimensiooniga ja aseskeemis kujutatavad takistusena. Nende takistuste määramiseks tuleb kas sisend või väljund viia tühijooksu olukorda, s t . I1 = 0 või I2 = 0. Nii näiteks on võimalik saada I2 = 0, kui lülitame neliklemmi väljundisse suure induktiivsusega mähise. Sel juhul U1 =z11 I1, U2 = z21 · I1, ning saame
Kui aga avame sisendi sisendisse lülitatava mähisega, saame olukorra, kus I1 = 0 ning saame
z-parameetrite süsteem on vähe levinud, kuna praktikas on väga raske saada olukorda I2 = 0 transistori suure väljundtakistuse tõttu. y-parameetrite süsteemis loetakse sisend- ja väljundvoolud sõltuvaiks sisend-ja väljundpingetest ja seega:
On ilmne, et käesoleval juhul kujutavad y-parameetrid mingeid juhtivusi ja nad on juhtivuse dimensiooniga. Nende määramiseks tuleb kasutada vahelduvvoolule lühistatud sisendit ja väljundit (U1= 0 ja U2 = 0). Sellistes reziimides mõõdetud pinge- ja voolumuutuste kaudu avalduvad y-parameetrid järgmiselt: s.o. transistori sisendjuhtivus lühistatud väljundi korral;
s.o. vastuülekandejuhtivus, mis iseloomustab väljundpinge mõju sisendvoolule lühistatud sisendi korral;
s.o päriülekandejuhtivus ühtivus, mis iseloomustab sisendpinge mõju väljundvoolule lühistatud väljundi korral;
s.o. väljundjuhtivus lühistatud sisendi korral. Päriülekandejuhtivust nimetatakse sageli ka tõusuks ja seda mõistet eelistatakse mõnikord suurevõimsuseliste transistoride iseloomustamisel, y-parameetrite mõõtmisel valmistab raskusi y12 määramine, kus tuleb mõõta lühistatud sisendi korral väikest sisendvoolu. h-parameetrite süsteem on kombineeritud nn. hübriidsetest sõltuvustest Vastavalt sellele kujuneb võrrandsüsteem järgmiseks:
h-parameetrite määramiseks on vajalik lühistatud väljundi reziim (U 2 = 0) ja avatud sisendi reziim (I1 = 0). h-parameetrid avalduvad järgmiselt:
s.o. transistori sisendtakistus (Input impedance) lühistatud väljundi korral;
s.o. tagasisidetegur (voltage feedback ratio) avatud sisendi korral;
s.o. vooluvõimendustegur ( current gain ) lühistatud väljundi korral;
s.o väljundjuhtivus (output admittance) avatud sisendi korral. On oluline märkida, et CB lülitusel h21 ja CE lülitusel h21. ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk.45
Ligikaudsus tuleneb sellest, et h on määratud lühistatud väljundi korral. Tegelikus tööolukorras on aga väljundis suhteliselt väike takistus (võrreldes kollektorsiirde takistusega), mistõttu nad kujunevadki väga lähedasteks. h-parameetrite laialdane kasutamine on tingitud nende mõõtereziimide hõlpsast realiseeritavusest ja ka sellest, et transistori tegelik tööreziim kujuneb h-parameetrite mõõtereziimile lähedaseks ja seetõttu nad iseloomustavad suuresti ka transistor -võimendusastme omadusi, h-parameetrite väärtused sõltuvad transistori tüübist ja lülitusest. Nende väärtused saadakse kas kataloogidest, määratakse staatilistelt tunnusjoontelt või mõõdetakse spetsiaalse seadmega . Nagu eespool mainitud , vastab igale parameetrite süsteemile oma aseskeem, kus siis parameetrid kujutavad vastavaid lülituselemente. Joonisel 6.19. on toodud y-ja h-parameetrite aseskeemid, mis on kooskõlas parameetrite võrranditega.
JOONIS 6.19.
Toodud aseskeeme on võimalik teisendada ka ühe generaatoriga aseskeemideks. Mainitud aseskeemidelt ei ole aga kuigi selgesti arusaadav selle seos transistori tööpõhimõttega. Sellest seisukohast on on näitlikum nn. füüsikaline ehk primaar -parameetritega aseskeem, mis CB lülituse jaoks on toodud joonisel 6.20.
JOONIS 6.20.
kus: re on emittersiirde takistus; rk - kollektorsiirde takistus; rb - baasi takistus. Füüsikaline aseskeem on küll väga ilmekas, kuid ta ei ole levinud seepärast, et primaarparameetrid re, rb ja rk pole otseselt mõõdetavad. Neid võib määrata kaudselt z-. y- või h-parameetrite kaudu.. Toodud füüsikalist aseskeemi nimetatakse ka T- kujuliseks aseskeemiks.Toodud aseskeemidel ei ole ühtki reaktiiv-elementi, mis on ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.46
õige ainult madalate sageduste juures. Sellega seoses nimetatakse ka vaadeldud parameetreid transistori madalsagedusparameetriteks.
6.5.2. Piirparameetrid. Piirparameetrid iseloomustavad transistori lubatavaid piirreziime. Kollektori suurim lubatav hajuvõimsus Pc on suurim võimsus, millele vastav energia võib hajuda transistori kollektoris etteantud keskkonna või transistori korpuse temperatuuril. Etteantud temperatuuriks on enamasti 25 °C. Kui keskkonna temperatuur erineb etteantust, arvutatakse lubatav hajuvõimsus käsiraamatus L1 toodud arvutusmetoodika alusel. Suurevõimsuselistel transistoridel, mis on ette nähtud paigaldamiseks radiaatorile, antakse suurim lubatav hajuvõimsus korpuse teatud temperatuuril ning siirde ja korpuse vaheline soojustakistus Rthja- Teades tegelikku hajuvõimsust ja keskkonna temperatuuri, saab arvutada radiaatori vajaliku soojustakistuse ja valida selle konstruktsiooni. Suurim lubatav kollektorpinge UCER on kollektori ja emitteri vahele rakendatav maksimaalne pinge, kui baasi ja emitteri vahel olev takistus ei ületa teatavat kriitilist väärtust (väikesevõimsuselistel tavaliselt 1 __10 k, suurevõimsuselistel 10...1000). Kui baasiahela takistus on suurem, siis lubatav kollektorpinge väheneb ja seda enam, mida kõrgem on temperatuur. Kollektori ja baasi vaheline suurim lubatav vastupinge U CBO on suurim alalispinge, mida võib rakendada baasi ja kollektori vahele ilma, et transistori parameetrid halveneksid. Emitteri ja baasi vaheline suurim lubatav vastupinge UEB sõltub transistori tüübist ja on enamasti 3... 5 V. Suurim lubatav kollektorvool ICMAX on suurim alalisvool, millega transistor võib kestvalt töötada, (lubatavat hajuvõimsust ületamata). Võidakse anda ka suurim lubatav impuss -kollektorvool, mis on lubatavast alalisvoolu väärtusest 1,5..3 korda suurem.
6.5.3. Jääkvoolud. Kollektori vastuvool ICBO on vastupingestatud kollektorsiiret läbiv vool (etteantud pingel), kui emitterahel on katkestatud. Selle voolu väärtus sõltub vähe rakendatud pingest, kuid tugevasti temperatuurist. Kollektori ja emitteri vaheline läbivvool ICEO on kollektorahela vool etteantud kollektorpingel, kui baasiahel on katkestatud. Läbivvool on vooluvõimenduse korda kollektori vastuvoolust suurem. Kollektori ja emitteri vaheline vastuvool ICER on kollektorahela vool, kui baasi ja emitteri vahel on etteantud väärtusega takistus. Jääkvoolude mõõteskeemid on toodud joonisel 6.21.
JOONIS 6.21. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.47
6.5.4. Võimendusparameetrid. Vooluvõimendustegur h21e (tähistatakse ka ja hfe) on väljundvoolu muutuste ja seda põhjustanud sisendvoolu muutuste suhe vahelduvvoolule lühistatud väljundi korral CE lülituses. Staatiline vooluülekandetegur B (tähistatakse ka HFE ja h21E) on CE lülituses kollektori- ja baasivoolude suhe alalisvoolureziimis. Läbivjuhtivus ehk tõus y21 (ka S) on väljundvoolu muutuse ja sisendpinge muutuse suhe (ühikuks mA/V või mS). Võimsusvõimendustegur G p on väljundvõimsuse ja sisendvõimsuse suhe sobitatud koormuse korral. Väljundvõimsus Pout on võimendusastmest etteantud sagedusel saadav võimsus. Transistori võimendusomaduste sõltuvust sagedusest iseloomustab transiit-sagedus fT, mis on sagedus, mil transistor lakkab võimendamast s.o. kui vooluvõimendustegur CE lülituses muutub võrdseks ühega. Võimenduse langus algab juba sagedustest 0,1 fT ja võimendustegur sagedustel 0,1... 1 fT on määratav valemiga: h21e = fT /f Kasutatakse ka võimenduse piirsageduse mõistet f, mis on sagedus, mil vooluvõimendus langeb maksimaalsest 30% CE lülituses.
6.5.5. Lülitireziimi parameetrid. Baasi ja emitteri vaheline küllastuspinge UBESAT on nende elektroodide vaheline pinge küllastusreziimis (etteantud baasi- ja kollektorivoolul). Kollektori ja emitteri vaheline küllastuspinge UCEsat on nende elektroodide vaheline pinge küllastusreziimis.
6.5.6. Siirete mahtuvused. Kollektorsiirde mahtuvus Cc on baasi ja kollektori vaheline mahtuvus, kui emitterahel on katkestatud ja kollektorsiirdel on vastupinge. Emittersiirde mahtuvus C E on emitteri ja baasi vaheline mahtuvus, kui kollektorahel on katkestatud ja emittersiirdel on väike vastupinge.
6.5.7. Mürategur. Mürategur F on transistori väljundahelas ilmneva müra koguvõimsuse suhe (dB) nimetatud võimsuse sellesse ossa, mida põhjustab signaaliallika soojusmüra.
6.6. Transistoride parameetrite määramine Vajadus konkreetseks parameetrite määramiseks võib praktikas tekkida kahel juhul - 1) kui ei õnnestu käsiraamatutest leida arvutusteks vajalikke parameetreid või 2) kui kasutatakse transistoril sellist reziimi , mis erineb oluliselt tüüpilisest, nii, et käsiraamatu parameetrid osutuvad reaalsetest oluliselt erinevateks. Sellisel juhul tuleb leida parameetrid tunnusjoontelt, arvestades tegelikku tööpunkti (tööreziimi). Vaatleme h-parameetrite määramist CE lülituse jaoks, kui on olemas enam- kasutatavad sisend- ja väljundtunnusjooned. Vaadeldaval juhul I1 = IB, I2 = lc, U1 = UBE ja U2 = UCE. Tingimused U2 = 0 ja I1 = 0 tähendavad vastavalt lühist ja avatud sisendit vahelduvvoolule ja need tingimused võib asendada tingimustega U2 = const ja I1 = const. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.48
Esitatud tingimused on olulised sellepärast, et nende väärtustega on määratud transistori tööpunkt. Erinevates tööpunktides on parameetrite väärtused muidugi erinevad. Väljundtunnusjoonelt saame tööpunkti O jaoks leida h21 ja h22 (joonis 6.22).
JOONIS 6.22.
IB määrame lõigul OO', mille puhul UCE =const ja IB = IB3 - IB2 ;
I'c ja U' CE saamiseks võtame punkti O ümbruses muutused punktist A kuni B, kusjuures on rahuldatud tingimus IB =const. h11 ja h12 määratakse sisendtunnusjoontelt (joonis 6.23).
JOONIS 6.23.
UBE ja IB leiame lõigult OO', sest see rahuldab etteantud tingimust.
UBE on meil olemas lõigul OA ja UCE = UCE2 ­ UCE1- Sõltuvalt transistori tüübist ja reziimist võib esineda olukord, kus erinevate kollektorpingetega sisendtunnusjooned langevad kokku. Sel juhul h12 = 0. ELEKTROONIKAKOMP ON ENDID lk. 49
6.7. Transistori dünaamiline reziim Transistori töötamisel võimendina on kollektorahelasse lülitatud koormustakistus , mille toimel muutub transistori reziim dünaamiliseks, kuna üheaegselt muutuvad kõik transistori voolud ja pinged ning staatiliste tunnusjoontega pole enam võimalik kõiki neid muutusi iseloomustada. Sellist olukorda võime vaadelda kui transistori ja koormustakistuse järjestiklülituse lahendamist grafoanalüütilisel teel. Transistori omadusi kajastavale väljundtunnusjoontele kanname koormustakistusest sõltuva koormussirge, mille kaks punkti on piirreziimide abil lihtsalt määratavad. Kui Ic = 0, siis on kollektori ja emitteri vaheline pinge võrdne toitepingega s.t. UCE = E ja võime märkida punkti kollektorpinge teljel. Kui aga transistori takistus on null, siis läbib ahelat vool E / Rc ja saame punkti kollektorvoolu teljel. Nende punktide ühendamisega saamegi väljundtunnusjoontel koormussirge millele peavad vastama kõik transistori ja koormustakistuse järjestiklülituse reziimid.. Selliselt on konstrueeritud joonisel 6.24 toodud dünaamilised väljundtunnusjooned.
Joonis 6.24.
Transistoril on võimalik kolm tööreziimi. Kui Ic = 0, on transistor suletud ja see on transistori sulgreziim {cutoff region ). Suurendades baasivoolu, tekib nn. lineaar -ehk võimendusreziim {active region), kus sisend- ja väljundvool on peaaegu lineaarses sõltuvuses. Teatud baasivoolu väärtusest alates väljundvool enam ei suurene ja see on transistori küllastusreziim ( saturation region). Lülitina toimivana kasutatakse transistori sulge - ja küllastusreziime, millest esimene vastab lüliti väljalülitatud asendile ja teine sisselülitatud asendile. Võimendites kasutatakse aga lineaar- ehk võimendireziimi, kus on just vajalik sisend- ja väljundvoolu võimalikult lineaarne sõltuvus. Teades baasivoolu. võime väljundtunnusjoontelt leida sellele vastava kollektori ja emitteri vahelise pinge ja kollektorvoolu. Teades sisendvoolu (baasivoolu) muutusi, saame määrata ka väljundvoolu ja pingete muutused. On näha, et dünaamilist reziimi mõjutab nii koormustakistus (koormussirge asend) kui ka signaali tööpiirkond. Pinge- ja võimsusvõimenduse määramiseks on vaja ka dünaamilisi sisend-tunnusjooni Käsiraamatutes toodud sisendtunnusjoonte sari koosneb aga enamast ainult kahest tunnusjoonest UCE = 0 ja UCE > 0. Seda nullist erineval kollektorpingel antud tunnusjoont võibki kasutada dünaamilise tunnusjoonena sisendpinge ja -voolu vahelise seose leidmiseks (vt. p.6.4. toodud sisendtunnusjooni). Võimendi reziimide valikul ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk 50
dünaamiliste tunnusjoonte abil peab silmas pidama , et tööpunkt ei tohi üheski reziim ületada piirparameetreid. Tööpunkt peab alati jääma sissepoole joonisel 6.25 toodu. piirväärtuste joontest.
JOONIS 6.25.
6.8. Transistoride omaduste sõltuvus sagedusest Nagu juba transistoride parameetrite juures nimetatud, hakkavad transistori võimendusomadused sageduse suurenedes halvenema, mis avaldub voolu-võimendusteguri vähenemises. Selle nähtuse põhjusi on kaks. Esimeseks põhjuseks on kollektorsiirde mahtuvus, mille mahtuvustakistus hakkab sildama kollektorsiiret ja see kaotab oma omadused. Mahtuvuse toime on seda tugevam, mida suurem on see mahtuvus ja mida kõrgem on sagedus. Teiseks põhjuseks on laengukandjate difusioonne liikumine baasis. Elektronide liikumiskiirused on üldiselt küllalt suured, kuid tingituna elektrivälja puudumisest baasis liiguvad nad seal difusioonselt (korrapäratult) ja eri laengukandjate teed baasi läbimisel on erineva pikkusega. Tulemus on see, et sisendsignaali toimel üheaegselt emitterist baasi läinud laengukandjad jõuavad kollektorisse erinevatel ajahetketel. Nii venivad impuss-signaalide korral välja impulsi küljed. Siinussignaalide korral aga vähenevad väljundvoolu muutused, kuna signaali ühel poolperioodil baasi läinud laengukandjatest jõuab osa kollektorisse hoopis teisel poolperioodil ja tulemuseks ongi väljundvoolu muutuste vähenemine. Võime öelda, et transistoride sageduslike omaduste parendamiseks on olemas kolm võimalust: 1) vähendada kollektorsiirde mahtuvust; 2) vähendada baasi laiust; 3) suurendada laengukandjate liikumiskiirust baasis. Neid võimalusi arvestatakse kõrg-sagedulike transistoride konstrueerimisel. Lisaks on füüsikast teada, et elektronide liikuvus pooljuhis on peaaegu kaks korda suurem aukude liikuvusest. See on üheks põhjuseks, miks kaasajal eelistatakse n-p-n transistore p-n-p transistoridele. Kõik nimetatud põhjused võimendusteguri vähenemiseks võtavad kokku transistori sagedusparameetrid f , f ja fT.
6.9. Transistoride omaduste sõltuvus temperatuurist ja tööpunktist Transistoride omaduste ja parameetrite kõige tugevamaks mõjutajaks on tempera - tuur. See tuleneb vähemuslaengukandjate kontsentratsiooni temperatuurisõltuvusest. Olulisimaks mõjutajaks on kollektori vastuvoolu temperatuurisõltuvus, mille põhjuseks on täiendavate vähemuslaengukandjate tekkimine temperatuuri tõusul. Toime avaldub kollektori ja emitteri voolu suurenemises baasivoolu muutumatuna olles. Praktiliselt avaldub see kollektori algvoolu suurenemises, mille hindamine võib toimuda sama ELEKTROONIKAKOMPONEND1D lk.51
reegli alusel kui dioodi vastuvoolu suurenemine, s.t. iga 10 °C kohta suureneb vastuvool kahekordseks. Väljundtunnussarjal avaldub see tunnusjoonte nihkumisena. Joonisel 6.26 on näidatud väljundtunnusjoonte muutus temperatuuri tõusmisel. Kollektorsiirde temperatuuri mõjutab ka kollektori hajuvõimsus. Sellest tuleneva täiendava temperatuurisõltuvuse vältimiseks tuleb kollektorsiirde temperatuur hoida lubatavates piirides. Tavaliselt on see võimsate transistoride probleem ja temperatuurireziimi hoidmiseks nõutavates piirides kasutatakse transitoride jahutami- seks radiaatoreid. Samade nähtuste kaudu avaldub ka h-parameetrite temperatuuri-sõltuvus. Temperatuuri mõju erinevatele parameetritele on erinev ja see on toodud joonisel 6.27.
JOONIS 6.26. JOONIS 6.27.
Nagu selgus parameetrite tunnusjoontelt määramise näitest, sõltuvad parameetrite väärtused kohast, kus neid tunnussarjal määratakse, s.o. tööpunktist. Praktiliselt enim mõjutab parameetrite väärtusi emitterivool. h-parameetrite sõltuvus emitterivoolust on toodud joonisel 6.28.
JOONIS 6.28.
Nagu graafikutelt näha, muutuvad emittervoolu muutumisel enim H22e ja h11e. Parameetrite sõltuvus kollektorpingest on vähemoluline ja sellega tuleb arvestada ainult väikestel kollektorpingetel, kus see sõtuvus järsult suureneb.
6.10. Transistoride levinumaid eriliike Phototransis tor 6.10.1. Fototransistor Fototransistor on bipolaarse transistori struktuuriga fotoelektriline seadis, mille väljundvool on tüüritav valgusvooga (on ka valgusvooga tüüritavaid väljatransistore). Poolläbipaistvasse baasikihti langev valgusvoog suurendab kollektorsiirde vastuvoolu, mis on samaväärne baasivoolu suurenemisega ning selle tulemusena suureneb ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.52
kollektorvool. Võime kujutleda nagu fotovoolu võimendamist, mille tulemusena on fototransistor fotodioodist 50...200 korda tundlikum. Samavõrra aga kasvab ka ümberlülitumiskestus, mistõttu on fototransistor fotodioodist aeglasem . Fototransistori ehitus, aseskeem ja tunnusjooned on toodud joonisel 6.29.
JOONIS 6.29.
6.10.2. Liittransistor ehk Darlingtoni transistor. Darlington Transistor Kui ühendada kaks transistori nii, et esimese emitter on ühendatud vahetult teise baasiga ja kollektorid ühendatud kokku, saame liittransistori ehk Darlingtoni transistori (joonis 6.30).
JOONIS 6.30.
Selliselt lülitatud transistoridekomplekti vooluvõimendustegur on üksikute transistoride vooluvõimendustegurite korrutis ja teda võib vaadelda ka kui üht suure vooluvõimendusteguriga transistori. Taolisi nn. Darlingtoni transistore toodavad mitmed firmad. Ühisesse korpusesse võib olla ühendatud ka veel transistoride reziime sobitavad takistid ja kaitsediood, nagu on näidatud joonisel 6.31.
JOONIS 6.31. ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk.53
6.11. Transistoride liigid Kasutuse seisukohalt liigitatakse transistore lubatava kollektori hajuvõimsuse ja suurima töösageduse järgi. Seejuures eri firmade liigitus võib olla ka mõnevõrra erinev. · Lubatava kollektori hajuvõimsuse järgi: - väikese võimsusega: Pc 300 mW; - keskmise võimsusega: Pc 1,5 W; - suure võimsusega: Pc > 1,5 W. · Maksimaalse töösageduse järgi: - madalsageduslikud: f 300 MHz. Mõnede transistore tootvate firmade liigitus on teistsugune. Nii ei liigita nad üldiselt väikesevõimsuselisi transistore, vaid need loetakse kõik üldotstarbelisteks väikesevõimsuselisteks transistorideks {small signal transistors). Suurevõimsuselisteks ehk jõutransistorideks (power transistors) loetakse aga neid, mille lubatav kollektorvool ICMAX > 1 A. Lisandub liigitus soovitava kasutusala ja sageduse järgi. Eri liigi moodustavad aga raadiosageduse transistorid ehk RF-transistorid (radio frequency ). Sinna kuuluvad transistorid töösagedustega 2 Mhz ... 4 GHz, lubatava kollektori hajuvõimsusega kuni 150 W. Nende transistoride konstruktsioonis on arvestatud suhteliselt kindlate raadiotehniliste rakendustega. Kasutatakse ka tehnoloogilist transistoride liigitust, kus transistore liigitatakse valmistamistehnoloogia alusel, nagu sulandtransistorid, planaartransistorid, epitaksiaaltransistorid jne. Transistoride omadustel ja tehnoloogial on küll olemas seos, kui tarbimise seisukohalt on see vähese tähtsusega. ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk.54
7. VÄLJATRANSISTORID FieldEffect Transistor (FET) 7.1. Väljatransistori mõiste ja põhiliigid Väljatransistoriks nimetatakse pooljuhtseadist, mille pooljuhist voolu juhtiva kanali juhtivust mõjutab elektriväli ja sellest tulenevalt on ta erinevalt bipolaar- transistorist pingega tüüritav element. Seda nimetatakse ka unipolaartransistoriks, kuna tema väljundvool kujuneb ainult ühenimeliste laengukandjate (kas elektronide või aukude) liikumisena. Tal on samuti kui bipolaartransistoril kolm elektroodi. Üht, voolujuhtiva kanali otsas asuvat elektroodi, kust laengukandjad sisenevad kanalisse nimetatakse lätteks (source), teist, kust laengukandjad väljuvad, neeluks {drain) ja kanali küljel asuvat tüürelektroodi paisuks ( gate ). Konstruktsioonilt jagunevad väljatransistorid p-n siirdega väljatransistorideks ( JFET ) ja isoleeritud paisuga ehk isoleerkihiga väljatransistorideks (ingliskeelse terminoloogia järgi MOSFET , kus tähed MOS on tulnud konstruktsiooni skeemi st Metal- Oxide-Semiconductor). Väljatransistoride eeliseks on eelkõige suurem sisendtakistus (kuna sisendvool on väga väike), väiksemad omamürad (kuna laengukandjad liiguvad kanalis elektrivälja kiirendaval toimel, s.o. mitte difusioonselt) ja väiksem temperatuurimõju (voolu moodustavad enamuslaengukandjad, mille hulk ei sõltu oluliselt temperatuurist). Ka on väljatransistoridel tehnoloogilisi eeliseid just integraallülituste valmistamise seisukohalt.
7.2. p-n-siirdega väljatransistorid Junction FET (JFET) p-n-siirdega väljatransistor koosneb kas n- või p-juhtivusega kanalist, millega on ühendatud lätte- ja neeluelektroodid ning selle küljel või külgedel paiknevast teistpidise juhtivusega paisutsoonist. Enamlevinud on n-kanaliga transistorid, kuna elektronide suuremast liikuvusest tulenevalt on nenede sagedusomadused paremad. Taoliste väljatransistoride skemaatiline ehitus ja tingmärgid on toodud joonisel 7.1.
JOONIS 7.1.
Nagu alati eri juhtivusega pooljuhtide liitumiskohal, nii ka siin tekib paisu ja kanali vahel p-n-siire ja tõkkekiht. Sellise p-n-siirdega väljatransistori töötamiseks on vaja siirdele anda vastupinge. Mida suurem on vastupinge, seda laiem on tõkkekiht ja seda kitsamaks jääb juhtiv kanal ja nii hakkabki väljatransistori neeluvool sõltuma paisule antavast vastupingest. Paisuahelas tekitatud vahelduvpinge muutused aga põhjustavad ka väljundvoolu muutusi. Praktiliselt on kanali pikkuseks umbes 1 um ja laiuseks 0.5 um. paksus aga kujundatakse sõltuvalt voolust . Oluliseks iseärasuseks on see. et paisutsoonide juhtivus on suurem kui kanali juhtivus (laengukandjate kontsentratsioon). Sellega saadakse tõkkekihi suurem laienemine kanali poole, ja ELEKTROONIKAKOMPONENDID IL 55
paisupinge tugevam tüüriv toime. Ka tuleb arvestada, et tõkkekiht ehk laengukandjatest vaesustatud tsoon on neelu pool laiem, kuna lätte ja neelu vahelisest pingest tekib piki kanalit pingelang. Sellest tulenevalt on neelu pool siirdele mõjuv vastupinge suurem. Neeluvool on suurim, kui paisupinge on null ja see väheneb paisule antava negatiivse pinge suurenedes kuni transistori sulgumiseni. Sel juhul kulgeb lätte ja neelu vahel mingi väga väike vool. Paisule pärisuunapinge andmisel tõkkekiht ja tüüriv toime kaovad. Kuna sisendpingeks olev paisupinge on sisuliselt p-n-siirde vastupinge, siis on ka paisu vool väga väike. See on siirde vastuvool. Sageli kasutatakse väljatransistori ühepoolset ehitust, kuna teda saab valmistada ühepoolse tehnoloogiaga pooljuhtkristallile. Sellise transistori ehitus on toodud joonisel 7.2.
JOONIS 7.2.
Kuna väljatransistoril puudub praktiliselt sisendvool, saame läbi vähemate tunnus- joontega. Neid on kaks: ülekandetunnusjoon ID = f(UDS), kui UDS=const ja väljundtunnusjoon ID = f (UDs), kui UGs = const. Mõlemad nimetatud tunnusjooned on toodud joonisel 7.3.
JOONIS 7.3. Väljundtunnusjoontelt võib näha kolme iseloomulikku piirkonda. Väiksemate lätte- ja neeluvaheliste pingete korral sõltub neeluvool tugevasti sellest pingest ja seda piirkonda nimetatakse takistuspiirkonnaks (Voltage-controlled resistance region), kuna selle piirkonna reziimides saab väljatransistori kasutada muudetava takistina. Mida negatiivsem on paisu pinge, seda väiksem on väljundtunnusjoone tõus ja seda suurema takistusena toimib transistor. See on seletatav sellega, et mida negatiivsem on pais seda laiem on tõkkekihi tsoon ja seda väiksem on juhtiva kanali ristlõige ning seda suurema takistusena toimib transistor. Teine piirkond on küllastuspiirkond {pinch-off region), kus neeluvool sõltub küll paisupingest, kuid väga vähe lätte ja neelu vahelisest pingest. Selle piirkonna reziimis ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 56
on väljatransistor kasutatav muutumatu voolu allikana. Lätte ja neelu vahelise pinge nõrk mõju neelu voolule seletub sellega, et suurematel pingetel on kanalis liikuvad elektronid saavutanud juba oma suurima kiiruse ja see ei saa enam suureneda ning vastavalt sellele ei suurene oluliselt ka enam neeluvool. Kolmas on läbilöögipiirkond (breakdown region), mis tekib suurematel lätte ja neelu vahelistel pingetel. Teatud pingest alates tekib järsk voolu suurenemine, mille põhjuseks on varemvaadeldud läbilööginähtused. Läbilöögi tagajärjel transistor reeglina hävib. Nagu märgata, on ülekandetunnusjoon mittelineaarne, kuid vähem kui bipolaarse transistori sisendtunnusjoon. See viitab väljtransistoride väiksematele moonutustele, mis on ka üheks väljatransistori eeliseks. Ülekandetunnusjoon on küllalt täpselt kirjeldatav ruutfuntsiooniga. Selle kaks punkti on alati käsiraamatutes antud. Paisu sulgepinge UGs(off) mis on paisu ja lätte vaheline pinge, mil transistor sulgub ( ID = 0 ) ja neeluvool, kui pais ja läte on lühistatud IDSS. Kui need kaks punkti on teada, võime alati arvutada neeluvoolu etteantud paisu ja lätte vahelisel pingel valemiga
Väljatransistoril on kaks tunnusjoontelt määratavat põhiparameetrit. Ülekandetunnusjoonelt leiame tüürivat toimet iseloomustava parameetrina ülekandejuhtivuse ehk tõusu (kasutatakse ka mõistet "läbivjuhtivus")
Kuna voolu ja pinge jagatis on juhtivus, siis mõõdetakse ka seda parameetrit juhtivuseühikutes. Vaadeldaval juhul on sobivaks mS. Ülekandejuhtivuse arvutamiseks vajalike voolu ja pinge muutusi saame leida tunnusjoonelt, nagu on näha joonisel 7.4.
JOONIS 7.4.
Väljundtunnusjoontelt määratavaks parameetriks on kanali juhtivus
Vastavate voolu ja pinge muutuste leidmine on samuti näidatud joonsel 7. ELEKTROONIKAKOMPONENDID LK.57
Tüüpiliseks kanali juhtivuse väärtuseks on 10....200 uS, mille vähim väärtus vastab takistusele 100 k. See näitab, et kanali takistus ja väljatransistori kui võimendi väljundtakistus on suur. Lisaks eelpool toodud neljale väljatransistori parameetrile antakse piirparameetritena käsiraamatutes või andmelehtedel veel: PDSmax - suurim lubatav hajuvõimsus; UDSmax - suurim lubatav neelu ja lätte vaheline pinge (kui pais ja läte on kokku ühendatud); UGSmax - suurim lubatav paisuja lätte vaheline pinge; IDmax - suurim lubatav neeluvool; IGF - suurim lubatav paisu vool päripinge olukorras. Tavalises , s.o. vastupingeolukorras esinev paisuvool ei ületa mõnda pikoamprit. Samas suurusjärgus on ka suletud kanali vool, mis võib samuti olla andmetes antud. Sagedus- ehk dünaamilisteks parameetriteks, mille alusel saab määrata antud transistori võimenduse piirsagedusi, on kaks mahtuvust: CGS - sisendmahtuvus ja CGD - läbivmahtuvus e. mahtuvus sisendi ja väljundi vahel.
7.3. Isoleeritud paisuga väljatransistorid (MOSFET). Isoleeritud paisuga väljatransistoride eripäraks on see, et paisu ja kanali vahel on õhuke isoleerkiht, milleks on SiO2 kiht. Sõltuvalt kanali tekitamise meetodist jagunevad MOSFET transistorid formeeritud kanaliga ja indutseeritud kanaliga MOSFET transistorideks. Need omakorda võivad olla kas n- või p-kanaliga. Seega on väljatransistore kuut erinevat liiki.
7.3.1. Formeeritud kanaliga MOSFET transistorid Depletion-Type MOSFET Vaatleme n-kanaliga transistori kui enamlevinut, p-juhtivusega põhimaterjali on formeeritud lisandite abil lätte ja neelu vahel n-juhtivusega kanal, mille peal on õhuke SiO2 isolatsioon ja sellel omakorda metallist paisuelektrood. Lätte- ja neelualused tsoonid on parema juhtivuse saamiseks tavaliselt kõrgendatud, s.o. n+ juhtivusega. Aluskristalliga ühendatud metallelektrood on ühendatud kas lättega või toodud välja eraldi elektroodina. Sellise transistori skemaatiline ehitus koos n- ja p-kanaliga transistoride tingmärkidega on toodud joonisel 7.5.
JOONIS 7.5.
Kui transistori paisule antav pinge on null, tekib läbi kanali mingi vool. Paisule antava pinge mõjul tekib paisuelektroodi all selle pingest põhjustatud elektriväljatsoon, ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 58
kus elektrivälja suund sõltub paisupinge polaarsusest. Kui paisupinge on negatiivne, on see elektriväli suunatud aluselt paisule ja hakkab elektrone paisualusest tsoonist ära tõrjuma. Paisu all tekib tühjenduspiirkond, kust elektronid on lahkunud; kanali ristlõige väheneb koos voolu vähenemisega. Negatiivse paisupinge teatud väärtusel kanal sulgub. Sellist reziimi nimetatakse vaegusreziimiks. Tänu paisu all olevale isoleerkihile võime anda paisule ka positiivse pinge. See on rikastusreziim, kus elektriväli on suunatud paisult alusele. Selle toimel nihkuvad p-tsooni augud aluse suunas ja kanal laieneb koos voolu suurenemisega. Seega võib formeerkanaliga MOSFET transistor töötada mõlemapolaarse paisu-pingega. Sellise transistori ülekande- ja väljundtunnusjooned on toodud joonisel 7.6. JOONIS 7.6.
Kuigi eelnimetatud põhjustel kasutatakse enamasti n-kanaliga MOSFET transistore, toodetakse ja kasutatakse ka p-kanaliga transistore. Nende kasutamisel tuleb vaid arvestada pingete vastupidise polaarsusega. MOSFET transistorid on leidnud küllalt laia kasutust ka suurevõimsuseliste nn. jõutransistoridena. Selleks otstarbeks kasutatakse paraleelselt ühendatud transistori struktuure, millede voolud liituvad. Taolised paralleelühendused on võimalikud tänu väljatransistori erilisele temperatuuriomadusele. See seisneb selles, et temperatuuri tõustes tõkkekihi tsoon laieneb ja vool väheneb. Kui mingil põhjusel ühes transistori struktuuris tekib kuumenemine, siis nimetatud efekti tulemusena väheneb automaatselt vool ja ka kuumenemine. Bipolaartransistoride taolisel paraleellülitusel aga tekib kuumenemisest juhtivuse suurenemine, vool selles elemendis suureneb veelgi ja lõpuks see struktuur hävib. Selle omaduse tõttu jagab väljatransistoride paraleelühendus automaatselt voolusid struktuuride vahel ilma riknemise ohuta. Suurevõimsuselisi transistore kasutatakse sageli lülititena. Sellisel kasutusalal on vaja võimalikult väikest kanali takistust. Selle saavutamiseks on välja töötatud mitmeid võimsate MOSFET transistoride eriliike.
7.3.2. Indutseerkanaliga MOSFET transistor Enhancement-Type MOSFET Indutseerkanaliga MOSFET transistor erineb eelmisest selle poolest, et tal on küll lätte- ja neeluelektroodide all n+ tsoonid, kuid nendevaheline kanal on jäetud tekitamata. Tulemusena on millisel paisupingel ka neeluvool null. Juhtiv kanal tekib paisu-aluse elektrivälja toimel ainult rikastusreziimis, kus elektriväli tõrjub augud paisust eemale ja lätte ja neelu vahel tekib voolujuhtiv kanal, mis on seda laiem, mida suurem on positiivne paisupinge. Paisu ja lätte vahelist pinget U , mil transistor avaneb , nimetatakse lävipingeks. Selle transistori skemaatiline ehitus on toodud joonisel 7.7. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 59
JOONIS 7.7.
Seega saab n-indutseerkanaliga MOSFET transistor töötada ainult lätte suhtes positiivse pingega paisul. Sama selgub ka indutseerkanaliga MOSFET transistori tunnusjoontelt, mis on toodud joonisel 7.8. Indutseerkanaliga MOSFET transistorid on väga laialt kasutusel digitaalsetes integraalskeemides, kuna nende valmistamis-tehnoloogia on lihtsam ja odavam (jääb ära kanali formeerimine). Eriliigiks on kujunenud nn. komplimentaar ehk CMOS loogika , kus kasutatakse ühiselt koos n-ja p-kanaliga väljatransistore.
JOONIS 7.8.
7.4. Suurevõimsuselised väljatransistorid Power MOSFET 7.4.1. VMOS transistor VMOS väljatransistor on saanud oma nime konstruktsiooni V-kujulisest ristlõikest. Ta on indutseerkanaliga väljatransistor, mille eripäraks on paisu kraatri -taoline kuju, mis on näha ka joonisel 7.9. Tehnoloogiast tulenevalt on paisualune p-tsoon väga õhuke ja kui paisupinge toimel indutseeritakse seal kanal, on see lühike ja suhteliselt suure ristlõikega. Ka on selline struktuur sobiv paralleelühendusteks, kuna neeluelektrood jääb ühiseks. Tänu lühikesele ja "suure" ristlõikega kanalile on kanali takistus väiksem. Selline ehitus sobiv suurevõimsuselistele transistoridele. ELEKTROONIKAKOMPONENDJD lk.60
JOONIS 7.9.
7.4.2. DMOS transistor. Nimetatud transistor on oma ehituselt sarnane VMOS transistoriga, kuid tal puudub koonilise kraatri taoline pais. Samaegselt on ta samuti indutseerkanaliga transistor. Joonisel 7.10 toodud skemaatilisel ristlõikel on kaks transistori ühendatud paraleelselt ühise paisuelektroodiga. Selliselt võib neid paraleelselt ühendada ka rohkem. Läte on kolmest küljest ümbritsetud p-tsooniga ja kui pais on pingestamata, ei ole voolu tekkimise võimalust. Andes paisule positiivse pinge, nihkuvad elektrivälja toimel augud paisu alt eemale, sinna tõmmatakse elektrone ja tekibki voolujuhtiv kanal, mille ristlõige on seda suurem, mida positiivsem on paisupinge. Nagu joonise põhjal otsustada võib, on DMOS transistori kanal lühike ja suure ristlõikega, mis on sobiv jõutransistorile. Selle transistori ehitus ei ole sümmetriline ja seepärast ei ole lubatud suudme ja lätte elektroodide vahetamine.
JOONIS 7.10.
7.4.3. IGBT transistor (Isolated Gate Bipolar Transistor). Bipolaarsete transistoridega võrreldes on väljatransistoride eripäraks see, et neil suurima voolu reziimis s.o. töötamisel lülitina, ei ole sellist küllastusreziimi kui bipolaartransistoridel, kus kollektori ja emitteri vaheline pingelang ei sõltu teda läbivast voolust. Sisselülitatud lülitina töötades on neil küll kanali takistus väga väike (minimaalselt mõni kümnendik oomi), kuid pingelang sõltub Ohmi seaduse kohaselt teda läbivast voolust. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 61
IGBT on liittransistor, kus sisendis on isoleeritud paisuga väljatransistor ja väljundis suurevõimsuseline bipolaartransistor . Peale nende sisaldab ta veel täiendavaid elemente. Tema skemaatiline ehitus, aseskeem ja tingmärk on toodud joonisel 7.11. Tänu sellisele ehitusele on ühises korpuses paiknevasse elementi liidetud väljatransistori suur sisendtakistus ja bipolaartransistori väike küllastuspingelang. Neid valmistatakse küllalt laias valikus erinevate parmeetritega erinevate kasutuste jaoks.
JOONIS7.11.
7.5. Väljatransistoride eriliike 7.5.1. Kahe paisuga väljatransistor Dual-Gate FET Kahe paisuga väljatransistor on formeerkanaliga MOSFET transistor, mille kanalile on tekitatud kaks paisu joonisel 7.12 toodu kohaselt. Sellel transistoril on võimalus tüürida voolu korraga kahe signaali abil. Teda kasutatakse raadiotehnikas automaatsetes võimenduse regulaatorites, segustites jne.
JOONIS 7.12
7.5.2. Schottky barjääriga väljatransistor. Nimetatu on oma tööpõhimõttelt sarnane p-n-siirdega väljatransistorile. Mater - jalina kasutatakse galliumarseniidi ( GaAs ) ja paisuna toimib kanalile kantud metallikiht. Nii tekib kanalile Schottky siire. Eripäraks on lühike (1 um) ja õhuke ( 0,1 um) kanal, mistõttu on töösagedus kõrge. Ka säilib tal paisu tüüriv toime kuni 0,5 V positiivse pingeni. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.62
7.6. Transistoride tähistus Reeglina kasutatakse transistoridel standardseid korpusi, mille kujud ja tähised on toodud joonisel 7.13.
JOONIS 7.13.
Tähistussüsteemid on riikidel erinevad, kusjuures paljud firmad kasutavad veel oma tähistussüsteemi. Toome siin Euroopa, USA, Jaapani ja Vene tähistussüsteemi. Transistori tähis koosneb kolmest kuni kuuest elemendist, mis on kas numbrid või tähed, kusjuures üksikute elementide vahel tühikut ei ole. Euroopa süsteem. Tähis koosneb kolmest või neljast elemendist. Esimene element on täht, mis määrab kasutatud pooljuhtmaterjali: A - germaanium, B - räni, C -galliumarseniid. Teine element koosneb kas ühest või kahest tähest, mis määravad transistori liigi (kasutusala): F ja L - väikese ja suure võimsusega kõrgsagedus-transistor, S ja U - väikese ja suure võimsusega lülitustransistor. Kolmas element on kahe- või kolmekohaline number, mis on antud toote registreerimisnumber ehk tüübi järjekorranumber. Neljas element on täht, mis osutab mingile versioonile põhitüübist erineva parameetri või korpuse osas (see element võib ka puududa). Näiteks BF321S on kõrgsageduslik ränitransistor, järjekorranumbriga 321 ja versioon S. Täpsemad tehnilised andmed selguvad alati tootekataloogist või andmelehelt. USA süsteem. Tähis koosneb kolmest elemendist. Esimene element on kahekohaline pooljuhtseadise liigi tähis, transistor on 2N. Teine element on kolme- või neljakohaline number, mis on toote registreerimisnumbriks. Neljas element on täht, mis määrab teisendi mõne parameetri osas. Näiteks 2N760A on transistor, mis on registreeritud numbiga 760, versioon A. Jaapani süsteem. Tähis koosneb kolmest või neljast elemendist. Esimene element määrab pooljuhtseadise liigi: transistor on 2S. Teine element on täht, mis määrab täpse- ELEKTROON1KAKOMPONENDID lk.63
malt seadise alaliigi: A - kõrgsageduslik p-n-p-transistor, B - madalsageduslik p-n-p-transistor, C - kõrgsageduslik n-p-n-transistor, D - madalsageduslik n-p-n-transistor, I - p-kanaliga väljatransistor, K - n-kanaliga väljatransistor. Kolmas element on toote registreerimisnumber. Neljas element on täht, mis määrab versiooni. Näiteks 2SA522 on madalsageduslik p-n-p transistor, registreerimisnumbriga 522, versiooni ei ole. Vene süsteem. Tähis koosneb viiest või kuuest elemendist. Esimene element on kas täht või number, mis määrab seadise valmistamiseks kasutatud materjali: F või 1 -germaanium, K või 2 - räni, A või 3 - galliumi ühendid. Teine element on täht, mis määrab seadise liigi: T - bipolaartransistor, n - väljatransistor. Kolmas element on number, mis määrab elektrilised omadused: 1, 4 ja 7 - väikese-, kesk- ja suurevõimsuselised madalsagedustransistorid, 2, 5 ja 8 - väikese-, kesk ja suurevõimsuselised kesksagedustransistorid, 3, 6 ja 9 - väikese-, kesk- ja suurevõimsuselised kõrgsagedus-transistorid. Neljas element on tüübi järjekorranumber (kas kahe- või neljakohaline). Viies element on täht, mis määrab versiooni parameetrite osas. Kuues element on number või täht, mis määrab korpuse versiooni. Näiteks KT3126A9 on väikese-võimsuseline kõrgsageduslik ränitransistor registreerimisnumbriga 126, parameetrite versioon A, väikeses plastkorpuses trükkplaadile jootmiseks. ELEKTROON1KAKOMPONEND1D lk.64
8. TÜRISTORID Thyristors, Four- Layer Devices 8.1. Üldist Türistorideks ehk neljakihilisteks dioodideks (Thuristors, Four-Layer Devices) nimetatakse üsna suurt gruppi pooljuhtseadiseid, milledel on vähemalt kolm siiret ja mida kasutatakse vooluahelate lülitamiseks. Neid nimetatakse ka mõnikord lülitusdioodideks. Nende tööpinged võivad ulatuda tuhandete voltideni ja voolud kuni tuhande amprini ja rohkemgi . Lülituskaod on neil väga väikesed ja seepärast on nad kujunenud üheks põhilisemaks jõuelektroonika elemendiks . Türistore kasutatakse ka väiksematel pingetel ja vooludel. Türistoride põhiliseks kasutusalaks on reguleeritavad alaldid , stabilisaatorid ja invertorid.
8.2. Dioodtüristor ehk dinistor Dioodtüristor koosneb neljakihilisest ränikristallist, millel on kaks elektroodi joonisel 8.1 toodud struktuuri kohaselt. Äärmise p-osaga ühendatud elektroodi nimetatakse anoodiks ja äärmise n-osaga ühendatud elektroodi katoodiks. Sellise struktuuri korral tekib pooljuhis kolm siiret: j l , j 2 ja j3. Joonisel näidatud polaarsusega pingestamise korral on siirded j 1 ja j3 pingestatud pärisuunas ja j2 vastusuunas.
JOONIS 8.1.
Jooniselt on näha, et dioodtüristori võib vaadelda ka koosnevana kahest transistorist. Väikese rakendatud pinge korral on dioodtüristori vool nullilähedane, kuna teda läbib ainult siirde j2 vastuvool. Kuna siirded jl ja j3 on pingestatud pärisuunas, siis langeb praktiliselt kogu pinge siirdele j2. Pinge suurenemisel läheneb siirde reziim läbilöögireziimile, vastuvool suureneb, tekib põrkeionisatsioon ja vool suureneb laviinitaoliselt. Põrkeionisatsiooni toimel suureneb laengukandjate kontsent- ratsioon siirdes j2, takistus väheneb, väheneb ka voolu säilitamiseks vajalik pinge ja vool suureneb välise vooluahela takistusega määratud väärtuseni. Joonisel 8.2 on toodud dioodtüristori pinge-voolu tunnusjoon, kus on näha kõik kolm eelkirjeldatud reziimi: normaalne vastupinge- ja vastuvoolureziim on kuni punktini A, laviinitaoline voolu suurenemine koos pinge vähenemisega kuni punktini B ja sealt edasi nn. avatusreziim, kus dioodtüristori läbiv vool on määratud välise vooluahela takistusega. Laviinitaolise lülitumise alguse määrab lülitumispinge UDMAX (break-over voltage) ja lülitumisvool I DMAX - Voolu vähenemisel säilub avatusreziim kuni hoidevooluni IH (Holding current) ja sellest väiksemal voolul lülitub türistor välja. Dioodtüristori vastusuunareziim on tavaline dioodi vastusuunareziim seal esineva vastuvooluga, kuna siirded j1 ja j2 on pingestatud vastusuunas. Sellest lähtuvalt on siis ka dioodtüristoril piirparameetriteks suurim lubatav pärivool ITMAX koos sealjuures esineva päripingelanguga UTMAX ja suurim lubatav vastupinge URMAX koos lubatava vastuvooluga IRMAX. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 65
JOONIS 8.2
Voolu laviinitaoline suurenemine avaldub ka dioodtüristori kui transistoride lülituse analüüsimisel. Suurenegu meil transistori VT2 baasi vool (siirde j2 vool) rakendatud pinge suurenemise tõttu mingi I võrra. Tema kollektorvool suureneb sel juhul aga
võrra.
See omakorda põhjustab VTl kollektorvoolu suurenemise, mis avaldub järgmiselt:
kus 1 , 2 ja 1 , 2 on vastavate transistoride vooluvõimendustegurid. Kuna esimese transistori kollektorvool on ühtlasi teise transistori baasivooluks, siis juhul, kui Ic1 > IB2 , tekib meil laviinitaoline voolu suurenemine. See tingimus on rahuldatud juhul, kui 1+2>1. Vooluvõimendusteguri väärtus sõltub aga emittervoolu väärtusest ja siit jõuamegi järeldusele, et mingi voolu I1 väärtusel peabki tekkima voolu laviinitaoline suurenemine. Vastupidise tingimuse 1+2 Silicon Unilateral Switch . 8.3. Sümmeetriline dioodtüristor ehk DIAC Kui ühendada teineteisele vastu kaks dioodtüristori, mille keskmised osad võivad olla ühised, saame sümmeetrilise dioodtüristori ehk DIAC-i. Selle ehitus, skeem, transistoridega aseskeem ja tingmärkide kujud on toodud joonisel 8.3.
JOONIS 8.3. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 66
On ilmne, et sellise ehituse korral koosneb pinge-voolu tunnusjoon kahest eri-polaarsusega dioodtüristori tunnusjoonest, nagu see on näha joonisel 8.4.
JOONIS 8.4.
Mõned firmad toodavadki ainult DIAC-e, kuna elemendina on see universaalsem.
8.4. Trioodtüristor ehk SCR türistor Trioodtüristor erineb dioodtüristorist selle poolest, et lülitumispinge on välise vooluallika poolt tüüritav. Nimetus SCR türistor on tuletatud ingliskeelsest nimetusest Silicon Controlled Rectifier (eesti keeles reguleeritav ränialaldi). Avamise tüürimiseks kasutatakse tüürelektroodi, mis on ühendatud keskmise siirde j2 n- või p-osaga. Tüürelektroodi tähis on G (gate). Vastavalt sellele, kas tüürelektrood on ühendatud n-või p-osaga, on türistor tüüritav kas positiivse või negatiivse signaaliga. Enamkasutatav on positiivse signaaliga tüüritav türistor, kus tüürelektrood on ühendatud p-osaga. Seda teda nimetatakse ka katoodtüüritavaks türistoriks. Trioodtüristori strukruur, transistor-lülituse ekvivalent ja tingmärk on toodud joonisel 8.5.
JOONIS 8.5.
Kui tüürvool IG = 0, siis käitub trioodtüristor dioodtüristorina ja tema pinge-voolu tunnusjoon ei erine millegagi dioodtüristori tunnusjoonest. Mida suurem on aga tüürelektroodi vool, seda väiksemal pingel toimub türistori lülitumine. Lülituspinge sõltuvus tüürvoolust on väga tugev, nii, et lülituspinge muutub väga kiiresti minimaalseks, mil türistori tunnusjoon on lähedane dioodi avasuunatunnusjoonega. SCR türistori tunnusjooned on toodud joonisel 8.6. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.67
JOONIS 8.6.
Türistori lülitumispinge vähenemine on seletatav sellega, et tüürvoolu kui ekvivalenttransistori VT2 baasivoolu suurenemisega suureneb ka emittervool, mis viib vooluvõimendusteguri suurenemisele, see aga omakorda kutsub esile laviinitaolise lülitumise. Seega on SCR türistor pärisuunas avatav kahel meetodil: kui ületatakse lülituspinge või kui antakse tüürelektroodile avamiseks piisav tüürvool. Mõlemal juhul suureneb avanemise järel türistori vool välise vooluahela takistusega määratud väärtuseni. Praktikas kasutatakse SCR türistori avamiseks impulsse. Seejuures: sõltub avamiseks vajalik vool impulsi kestusest ja temperatuurist. Mida pikem on käivitusimpulss, seda väiksem võib olla ta vool. Minimaalseks käivitusimpulsi kestuseks on sõltuvalt türistori tüübist umbes 200 us. Pikendades käivitusimpulssi kuni 5 ms, väheneb vajalik tüürvool umbes 10 korda. Mida kõrgem on temperatuur, seda väiksemal tüürvoolul türistor avaneb. Firma "Motorola" antud käivitusimpulsside kestuse ja voolu sõltuvused on antud joonisel 8.7.
JOONIS 8.7.
Türistori sulgemiseks tuleb seda läbiv vool viia hoidevoolust väiksemaks või anda türistorile vastupinge. Lisaks dioodtüristoril kasutatavatele parameetritele, kasutatakse trioodtüristoridel veel avavat tüürvoolu IGT (kas alalis või impulssvooluna) ja avavat tüürpinget UGT.Toime kiirust kajastab väljalülitumiskestus tq. Reeglina lülituvad türistorid aeglasemalt välja kui sisse. Türistorid on tundlikud kiiretele anoodpinge muutustele. Kui anoodpinge muutumise kiirus du/dt ületab lubatu , võib türistor avaneda või avaneb tavalisest väiksemal ümberlülitumispingel. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 6"
8.5. Vastujuhtiv türistor Vastujuhtiv türistor on selline trioodtüristor, mis on ekvivalentne türistori ja vastusuunas ühendatud dioodi paralleellülitusega. Päripingel käitub see tavalise trioodtüristorina, vastupingel aga päripingestatud dioodina. Tema ekvivalentskeem ja pinge-voolu tunnusjoon on toodud joonisel 8.8.
JOONIS 8.8.
8.6. Trioodsümistor ehk TRIAC Trioodsümistor on ekvivalentne kahe vastassuunas ühendatud trioodtüristoriga. Kahe türistori vastassuunalisel ühendamisel kujuneb ühes seadises selline nelja siirdega struktuur, kus keskmised kihid on mõlemale türistorile ühised. Kui niisugusele türistorile rakendada pinge plussiga nl kihil, siis on siirdel nl-pl vastupinge ja seda läbib nõrk vool. Türistori põhivool läbib siiret sunteerivat piirkonda pl. Siire p2n3 on päripingestatud ja seda läbib tugev vool. Vastupidisel pingestamisel muutuvad siirete reziimid vastupidiseks. Tüürelektroodi võib kujundada sellesse struktuuri nii, et türistor avaneb kas ainult negatiivsest või ainult positiivsest impulsist või ka mõlema polaarsusega signaalist. Viimasel juhul peab tüürelektrood olema kontaktis nii pl piirkonnaga kui ka lisaks moodustatud piirkonnaga n+. Trioodsümistori ehk TRIAC-i moodustamine, struktuur, tingmärk ja pinge-voolu tunnusjooned on toodud joonisel 8.9.
JOONIS 8.9.
8.7. Tüürvooluga väljalülitatav türistor ehk GTO türistor Nimetuse lühend on pärit inglise keelest - Gate Turn Off. Kirianduses võib kohata ka teist, samuti inglise keelest pärinevat lühendit - SCS s.o Silicon ControlledSwitch. Ka tavalist SCR türistori võib sulgeda tüürelektroodi kaudu. Selleks on vaja anda ta tüürelektroodile tugev negatiivne vooluimpulss. Kuigi vajadus tüürelektroodilt ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.69
suletavate türistoride järel oli olemas juba pikemat aega, ei olnud see võimalus praktikas levinud, kuna vajaminev impulsi võimsus on sedavõrd suur, et tingib suurevooluliste juhtskeemide kasutamise. Selle probleemi lahendamiseks töötati välja spetsiaalsed GTO türistorid, mille väljlülitamiseks vajalik võimsus on väiksem ja mis lülituvad välja tavalistest SCR türistoridest kiiremini. GTO türistoride struktuur, ekvivalentskeem ja tingmärk on toodud joonisel 8.10. Katoodipoolset tüürelektroodi nimetatakse katood -tüürelektroodiks ja anoodipoolset tüürelektroodi anood -tüürelektroodiks. Mõlemaid tüürelektroode võib kasutatada nii türistori sisse- kui väljalülimiseks. Nii saame katood-tüürelektroodilt avada türistori positiivse impulsiga ja sulgeda negatiivse impulsiga, anood-tüürelektroodilt aga sisse negatiivse impulsiga ja välja positiivse impulsiga. Seega võib GTO türistor olla kas ühe või kahe tüürelektroodiga. Kaheelektroodiline konstruktsioon aga annab suuremaid võimalusi juhtahelate kujundamiseks. GTO türistore valmistatakse küllalt suurtele vooludele (kuni 350 A), kuid mitte nii suurtele vooludele kui SCR türistore. Enamlevinud kasutusalaks on elektriajamite sagedusmuundid.
JOONIS 8.10.
8.8. Türistoride eritüüpe 8.8.1. Fototüristor Fototüristor erineb tavalisest trioodtüristorist selle poolest, et vastupingestatud siiret on võimalik valgustada ja valguse toimel tekkiva vastuvoolu abil türistori sisselülitada. Samal ajal toimib ta ka tavalise SCR türistorina. See võimaldab vältida käivitustrafode kasutamist türistori ja juhtahelate galvaanilisel lahutamisel.
8.8.2. Hübriidtüristorid. Hübriidtüristorides on türistoriga samasse kesta kujundatud veel mingi võimenduselement, kas MOS transistor või ühesiirdetransistor, mis annab täiendava võimenduse tüürelektroodi ahelas, võimaldades nii vähendada käivitusimpulsside võimsust ja lihtsustada juhtskeeme.
8.9. Türistoride tähistamine Nii nagu teistel pooljuhtelementidel, kasutatakse ka türistoridel tüüpkorpusi, milledest enamkasutatavamad on toodud joonisel 8.11. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 70
JOONIS 8.11.
Tähistussüsteemidest toome siin Euroopa ja Vene türistoride tähistussüsteemid Euroopa tähistus koosneb neljast elemendist. Esimene element on täht, mis määrab kasutatud materjali: B - räni. Teine element on kahetäheline, millest esimene täht määrab seadise liigi: T - reguleer- ja lülitusseadised, teine täht aga kasutusala: X - tööstusaparatuuris kasutamiseks. Kolmas element on kahe- või kolmekohaline number, mis on seadise registreerimisnumbriks. Kolmanda elemendi järel on side- kriips. Neljas element näitab seadise lubatavat vastupinget voltides. Näit. B TH 10-200 on tööstusotstarbeline ränitüristor, registreerimisnumbriga 10 ja lubatava vastupingega 200 volti . Vene tähistussüsteem on väikese (kuni 20 A) ja suurevõimsuslistel türistoridel erinev. Väikesevõimsuslistel türistoridel koosneb tähis neljast elemendist. Esimene element on täht või number, mis määrab kasutatud materjali: K või 2 - räni. Teine element on täht, mis määrab seadise liigi: H - dioodtüristor, Y - trioodtüristor. Kolmas element on number mis määrab täpsemalt liigi ja võimsuse: 1 - pärivool kuni 0,3 A, 2 -pärivool kuni 10 A, 7 - pärivool kuni 20 A, 3 ja 4 - suletavad GTO türistorid, 5 - DIAC-id, 6 - TRIAC-id. Neljas element on number, mis on seadise regitsreerimisnumber. Viies element on täht, mis määrab teisendi. Näit. KY210A on ränitüristor pärivooluga kuni 10 A, registreerimisnumbriga 10, teisend A. Suurevõimsuseliste türistoride tähis koosneb kuuest elemendist. Esimene element koosneb ühest või kahest tähest, mis määrab seadise liigi: T - türistor, TC - sümistor, T3 - suletav türistor. Teine element on number, mis on modifikatsiooni järjekorranumbriks. Kolmas element on number, mis määrab kinnituse keerme ja võtme mõõtme (näit. 1 - keere M8, võti 11). Neljas element on ühekohaline number, mis määrab konstruktsiooni: 1 - paindväljaviikudega, 2 - jäikväljaviikudega, 3 - tabletikujuline. Viies element järgneb sidekriipsule ja näitab pärivoolu amprites. Kuues element järgneb samuti sidekriipsule ja näitab lubatavat impulss -vastupinget sadades voltides. Näiteks TC 122-20-5 on sümistor, kinnitusvariant 2, jäikväljaviikudega, pärivoolule 20 A, lubatava vastupingega 500 V. ELEKTROONIKAKOMPONENDID Ik. 71
III ELEKTRONOPTILISED SEADISED
Elektronoptilised seadised võimaldavad muuta elektrilisi signaale optilisteks, s.o. nähtavateks. Siia kuulub terve rida erineva tööpõhimõtte ja otstarbega seadiseid. Ühed neist võimaldavad jälgida elektriliste signaalide muutusi, teised signaliseerivad teatud tasemega signaali olemasolust, kolmandad võimaldavad edastada informatsiooni sümbolitena jne. Elektronoptilisi seadiseid nimetatakse mõnikord ka indikatsiooni-seadisteks.
9. Elektronkiiretorud Cathode-ray Tube 9.1. Üldist Elektronkiiretorud (Cathode-ray Tube) on üks elektronseadiste liike, mis on ette nähtud elektriliste signaalide muundamiseks optiliseks kujutiseks. Optiline kujutis saadakse peene elektronkiire põrkumisel vastu ekraani, mille luminofooriga kaetud kiht jätab elektronkiire liikumise teest nähtava jälje. Elektronikahuris moodustunud peen suunatud elektronkiir liigub ekraanil vastavalt hälvitussüsteemi toimele. Elektronkiiretoru koosneb elektronikahurist, hälvitussüsteemist, ekraanist ja kestast (kolvist). Elektronikahur koosneb katoodist, tüürelektroodist, mille pingega reguleeritakse kiire voolu, ja teravustus- ehk fokuseerimissüsteemist, mille toimel elektronid koondatakse kiireks . Hälvitussüsteem, mis paneb elektronkiirele ekraanil liikuma, koosneb horisontaal-ja vertikaalhälvitussüsteemist, millede abil on võimalik kiirt juhtida igasse ekraani punkti. Ekraan moodustatakse kesta sisekülje katmisega fluoerestseeriva ainega.
9.2. Fokuseerimissüsteemid Elektronkiirt on võimalik fokuseerida kas elekri- või magnetvälja toimega. Kaasaegsetes elektronkiiretorudes kasutatakse ainult esimest. Fokuseerimissüsteemis toimub katoodi poolt emiteeritud elektronide kiirendamine ja koondamine ekraanile fokuseeritud peeneks kiireks. See toimub ebaühtlase elektrivälja abil, mis tekitatakse negatiivselt pingestatud tüürelektroodi ja positiivselt pingestatud anoodide vahel. Tekkiva ebaühtlase elektrivälja abil kujundatakse kahest "läätsesüsteemist" koosnev elektronoptika, mille toime koos optilise analoogiga on näidatud joonisel 9.1. . A2
JOONIS9.1. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.72
Nagu jooniselt näha, koosneb fokuseerimissüsteem nagu kahest läätsesüsteemist. Kumbki süsteem omakorda koosneb koondavast ja hajutavast läätsest. Tervikuna on aga mõlemad läätsesüsteemid koondava toimega. Esimene läätsesüsteem, mis kujuneb tüürelektroodi ja esimese anoodi vahel, on lühikese fookuskaugusega. Teine läätsesüsteem, mis tekib kahe anoodi vahel, on pika fookuskaugusega (fokuseerib kiire ekraanile). Fookuse reguleerimine toimub esimese anoodi pinge reguleerimisega, mille pinge on 0,125...0,25 teise anoodi pingest. Teise anoodi pinge poolt tekitatav elektriväli on põhiline elektronide kiirendaja. Tema väärtus sõltub elektronkiiretoru mõõtmetest ja liigist ja on vahemikus 1,5...25 kV. Elektronid kui samanimelised laengud tõukuvad omavahel. See ilmneb elektronide suurte tiheduse puhul kiires, mil tekib kiire hajumine . Sellest tulenevalt on elektronide poolt "joonistatud" joon ekraanil kiire suure helenduse korral halvemini fokuseeritud. Kuna kiire voolu ( heleduse ) reguleerimine toimub tüürelektroodi pingega, siis heleduse reguleerimisel kipub muutuma ka fookus. Selle nähtuse vastu aitab täiendava, nn. kiirendusanoodi A1 kasutamine, mis paigutatakse tüürelektroodi ja esimese anoodi vahele ja millele antakse püsivalt positiivne pinge (vt. joonis 9.2).
JOONIS 9.2.
9.3. Hälvitussüsteemid Deflection Füüsika kursusest on teada, et elektronide liikumise trajektoori saab mõjutada nii elektri- kui magnetväljaga. Sellest tulenevalt on olemas nii elektrostaatilised kui ka magnetilised hälvitussüsteemid. Elektrostaatilises hälvitussüsteemis toimub elektronkiire hälvitamine e. kallutamine {deflection) elektrivälja mõjul. Selleks paigutatakse elektronkiire teele kaks paralleelset plaati, mille pingestamisega tekitatakse elektronkiirt kallutav elektri- väli nagu on näidatud joonisel 9.3.
JOONIS 9.3.
Elektronkiire hälvitamiseks nii x- kui y- telje sihis kasutatakse kaht plaatide paari, mis on paigutatud teineteise suhtes risti. Saamaks ekraanil kujutist, mis täpselt järgiks uuritava pinge muutusi, peab kiire nihkumine ekraanil olema võrdeline plaatidel mõjuva pingega. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk.73
Elektronkiire ekraanil toimuva nihke ja seda põhjustanud pinge suhet nimetatakse hälvitussüsteemi tundlikkuseks
Elektronkiiretorude tundlikkus on tavaliselt 0,2...0,6 mm/V. Tundlikkuse suurendamiseks võib suurendada hälvitusplaatide pikkust, suurendada hälvitussüsteemi ja ekraani vahekaugust, vähendada plaatide vahekaugust või vähendada anoodpinget (vähendada elektronide liikumiskiirust). Tegelikult on need võimalused aga piiratud, sest plaatide mõõtmete muutmisega kaasneb fokuseerimise halvenemine; plaatide ja ekraani vahekauguse suurendamine ning anoodpinge vähendamine soodustab aga elektronide hajumist, millega kaasneb kujutise teravuse vähenemine; plaatide vahekauguse vähendamine piirab võimalikku hälvitusnurka. Ainsaks kasutatavaks tundlikkuse suurendamise võimaluseks on murtud kujuga hälvitusplaatide kasutamine, millega hälvituse tundlikkus suureneb 1,5...2 korda. Elektronkiire magnetiliseks hälvitamiseks paigutatakse toru kaelale kaks paari mähiseid nii, et nad oleksid teineteise ja toru telje suhtes risti (joonis 9.5).
JOONIS 9.5.
Ühistelgsed mähised ühendatakse järjetikku ja nende poolt tekitatud magnetväli hakkab mõjutama kiire hälbenurka. Sealjuures hälvitab horisontaalne magnetväli Hx kiirt verikaalsuunas ja vertikaalne magnetväli Hy horisontaalsuunas. Võrreldes elektrostaatilise hälvitussüsteemiga on magnetilise süsteemi energiatarve suurem ja kasutatavad laotussagedused madalamad. Seevastu on aga kergem saavutada suuri hälvitusnurki.
9.4. Ekraanid Ekraani tähtsaimaks osaks on fluorestseeriva aine kiht. Selleks kasutatakse mitmesuguseid metalliühendeid: tsinksulfiidi, tsinksilikaati (villemiiti) kaltsium- volframaati jne. Sealjuures lisatakse põhimaterjalile aktivaatoritena 0,001.... 1% mitmesuguseid metalle (vask, hõbe, vismut jne). Kasutatavad ekraanimaterjalid erinevad teineteisest põhiliselt kolme parameetri poolest. Nendeks on valgusandlikkus, järelhelenduse kestus ja helenduse värvus. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 74
Valgusandlikkus on ekraani valgustugevus kiire võimsusel 1 W. See parameeter ei ole konstantne , vaid sõltub elektronide kiirusest (anoodpingest) ja kiire voolutugevusest. Kasutatavate materjalide valgusandlikkus on 0,17... 17 cd/W. Järelhelenduse kestus on ajavahemik , mille vältel ekraani heledus pärast elektronkiire kustumist langeb 1%-ni esialgsest. Kasutusotstarbest sõltuvalt võib järelhelenduse kestus olla mõnest mikrosekundist kümnete sekunditeni. Helenduse värvus sõltub otseselt fluorestseerivast ainest ja tema kiirgusspekter on üsna kitsas . Seepärast kasutatakse sageli sobiva helenduse värvuse saamiseks mitmete ainete segusid. Nii näiteks annavad tsinksulfiid ja villemiit rohelise helenduse, kuid esimesel on järelhelendus pikk, teisel aga lühike. Valge helenduse saamiseks kasutatakse tsinksulfiidi ja tsinkkaaliumi segu, mis on aktiveeritud kaadmiumi ja hõbedaga. Arusaadavalt on sageli kasutatavad luminofoorimaterjalid firmasaladusteks. Kuna ekraanile langeb töötades pidevalt elektrone, siis peaks ekraan laaduma negatiivselt. Tegelikult aga esineb sekundaaremissioon ja selle tulemusena laadub ekraan hoopis positiivselt. Ekraanilt sekundaaremiteerunud elektronid liiguvad positiivselt pingestatud anoodile. Sekundaaremiteerunud elektronide kiirus on aga ekraani läheduses väike ja tekib ruumilaeng, mis hajutab elektronkiirt. Ruumilaengu kõrvaldamiseks kaetakse toru sisekülg voolujuhtiva grafiitemulsiooni kihiga (akvadaagiga), mis ühendatakse teise anoodiga. Kasutatakse ka alumineeritud ekraani (vt. joonis 9.6). Alumineeritud ekraani puhul kaetakse ekraani sisekülg õhukese, elektronidele "läbipaistva" alumiiniumi kihiga. Et elektronid suudaksid alumiiniumikihti edukalt läbida, kasutatakse kõrgemat anoodpinget.
JOONIS 9.6.
Ekraanile langevate elektronide energiast muutub valguseks 2...3%, ülejäänu aga kuumutab ekraani. Kuumenemise tulemusena luminofoor vananeb ja ekraan tuhmub. Samuti võib tugeva vooluga paigalseisev kiir ekraani langemispunktis "läbi põletada". Seepärast on ekraani säilitamise eesmärgil soovitav kasutada võimalikult väikest heledust .
9.5. Ostsilloskoobitorud Ostsilloskoobitorud on elektronkiiretorud, mida kasutatakse ostsilloskoopides kiiresti muutvate pingete ja voolud jälgimiseks. Suurema sagedusega tööpiirkonna tagamiseks kasutatakse neis elektrostaatilist hälvitussüsteemi. Selle ehitusskeem on toodud joonisel 9.7. Muutuvate pingete uurimisel rakendatakse uuritav pinge y-teljelistele plaatidele, x-teljelistele plaatidele aga antakse ajaliselt lineaarse laotuse saamiseks hammaspinge. Hammaspinge tõusu kestel kaldub elektronkiir perioodiliselt vasakult paremale ja langu kestel kiiresti tagasi. Kui hammaspinge periood on võrdne või kordne uuritava pinge perioodiga, saame olukorra, kus üksikute perioodide jäljed satuvad pealekuti ja ekraanil tekib jälgimiseks sobiv seisev kujutis. Seisva kujutise tekkimist selgitab joonis 9.8. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 75
JOONIS 9.7.
JOONIS 9.8.
Kasutatavamaks ekraanimaterjaliks on villemiit, mis võimaldab jälgida protsesse alates sagedusest 10...20 Hz. Väiksema sagedusega protsesside jälgimiseks kasutatakse pikema järelhelendusega ekraane. Eriti pika järelhelendusega ekraanidega ostsilloskoobitorusid saab kasutada kiirete, kuid väikese kordussagedusega või korrapäratute järgnevustega nähtuste jälgimiseks. Mäluga ostsilloskoopide kasutuseletulek on aga nende vajadust järsult vähendanud. Ostsilloskoobitoru ülemine sageduspiir on küllalt kõrge. Ta on määratud elektronide lennuajaga hälvitussüsteemis ja samuti parasiitmahtuvuste ja juhtmete induktiivsuste toimega. Suurtel sagedustel jõuab hälvituspinge juba muutuda selle aja vältel, mille kestel elektronid on hälvitussüsteemis. Praktiliselt avaldub kirjeldatud nähtus elektronkiiretoru tundlikkuse vähenemises kõrgematel sagedustel Ülemine sageduspiir on tavalistel ostsilloskoobitorudel kuni 150 MHz ja eriti kõrgetele sagedustele konstrueeritud torudel kuni 1 GHz. Valmistatakse ka mitme kiirega ostsilloskoobitorusid, mida saab kasutada mitme üheaegse protsessi jälgimiseks. Mitme kiirega ostsilloskoobitorus on ühisesse kesta paigutatud mitu elektronikahurit ja hälvitussüsteemi, kiired aga juhitakse ühisele ekraanile, kus näemegi üheaegselt jälgitavaid protsesse.
9.6. Mustvalgekineskoobid Kineskoopideks ( Picture Tube) nimetatakse televiisorites kasutatavaid elektron-kiiretorusid. Kujutise saamiseks liigub kineskoobis elektronkiir rida realt läbi kõik ekraani punktid. Vastavalt ülekantavale kujutisele tüüritakse samaaegselt ka kiire heledust tüürelektroodile (modulaatorile) antava videosignaali pingega. Ekraanil tekivad erineva heledusega täpid, mille kogum loobki kujutise. Kiirelt liikuvate ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 76
kujutiste ülekandmiseks on kiire liikumise kiirus väga suur. Samal põhjusel peab ekraani järelhelenduse kestus olema piisavalt lühike (