Λύσεις Κεφαλαίου 5 – Τρανζίστορ (Κρυσταλλοτρίοδος) – ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Α΄ ΕΠΑΛ

Ενδεικτικές απαντήσεις στις ερωτήσεις/ασκήσεις του σχολικού βιβλίου.

Άσκηση 1

Εκφώνηση. Περιγράψτε τι είναι το τρανζίστορ.

Σκέψη. Ζητείται ο ορισμός του τρανζίστορ.

Λύση.

• Τρεις περιοχές σε σειρά.

Ενδεικτική απάντηση. Το τρανζίστορ (κρυσταλλοτρίοδος) είναι κρύσταλλος ημιαγωγού με τρεις εμπλουτισμένες περιοχές σε σειρά, τύπου N-P-N ή P-N-P. Το όνομά του προέρχεται από τις λέξεις TRANsfer + reSISTOR. Κατασκευάζεται από γερμάνιο ή πυρίτιο και έχει δύο επαφές (εκπομπού και συλλέκτη).

Πρόσεξε:

• Το NPN έχει φορείς πλειονότητας τα ηλεκτρόνια, το PNP τις οπές.

Άσκηση 2

Εκφώνηση. Ποιοι είναι οι ακροδέκτες του τρανζίστορ και ποια η κατασκευή τους;

Σκέψη. Ζητούνται οι ακροδέκτες και η κατασκευή τους.

Λύση.

• E, B, C με διαφορετικές προσμείξεις.

Ενδεικτική απάντηση. Οι τρεις ακροδέκτες είναι: ο Εκπομπός (E) με τις περισσότερες προσμείξεις, που εκπέμπει φορείς· η Βάση (B), μεσαία, λεπτή και με λίγες προσμείξεις, που ρυθμίζει τη ροή· και ο Συλλέκτης (C), με ενδιάμεσες προσμείξεις και μεγαλύτερη περιοχή, που συλλέγει τους φορείς.

Πρόσεξε:

• Η λεπτή βάση με λίγες προσμείξεις είναι που επιτρέπει στα περισσότερα ηλεκτρόνια να φτάσουν στον συλλέκτη.

Άσκηση 3

Εκφώνηση. Αναφέρετε τις κυριότερες τεχνικές κατασκευής τρανζίστορ.

Σκέψη. Ζητούνται οι τεχνικές κατασκευής.

Λύση.

• Ανάλογα με συχνότητα/ισχύ.

Ενδεικτική απάντηση. Οι κυριότερες τεχνικές είναι: κράματος (χαμηλές συχνότητες, μικρή/μέση ισχύ), διάχυσης (πολύ λεπτή βάση, υψηλές συχνότητες έως UHF), ανάπτυξης και επιταξιακή (έως 1000 MHz), και Πλάναρ (Planar), που είναι η πιο διαδεδομένη σήμερα.

Πρόσεξε:

• Με την τεχνική Πλάναρ βγαίνουν πάνω από 1000 τρανζίστορ από μία πλάκα πυριτίου.

Άσκηση 4

Εκφώνηση. Προσδιορίστε την παράμετρο \( \alpha \) του τρανζίστορ.

Σκέψη. Ζητείται η παράμετρος α.

Λύση.

• α = λόγος I_c προς I_e.

Ενδεικτική απάντηση. Η παράμετρος α (απολαβή ρεύματος) δείχνει τη σχέση του ρεύματος συλλέκτη προς το ρεύμα εκπομπού: α = I_c/I_e. Επειδή I_c ≈ I_e, το α παίρνει τιμές 0,95–0,99 (συχνά το θεωρούμε ≈1). Είναι μεγαλύτερο όσο λεπτότερη η βάση και όσο λιγότερες οι προσμείξεις της.

Πρόσεξε:

• Πειραματικά υπολογίζεται ως α = ΔI_c/ΔI_e με σταθερή V_cb.

Άσκηση 5

Εκφώνηση. Αναφέρετε και συγκρίνετε τις περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ.

Σκέψη. Ζητούνται και συγκρίνονται οι περιοχές λειτουργίας.

Λύση.

• Τέσσερις περιοχές με βάση την πόλωση των δύο επαφών.

Ενδεικτική απάντηση. Οι περιοχές λειτουργίας είναι: κόρου (και οι δύο επαφές ορθά πολωμένες, το τρανζίστορ σαν αγωγός, μικρή V_ce)· αποκοπής (I_b=0, άρα I_c≈0, ρεύματα σχεδόν μηδέν)· διάσπασης (πολύ μεγάλη V_ce, απότομη αύξηση I_c, ακατάλληλη — κίνδυνος καταστροφής)· και ενεργός (κανονική λειτουργία ανάμεσα στις άλλες, I_c σχεδόν σταθερό, μικρή παραμόρφωση).

Πρόσεξε:

• Οι κατασκευαστές προτείνουν λειτουργία στην ενεργό περιοχή.

Άσκηση 6

Εκφώνηση. Αιτιολογήστε τη λειτουργία του τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή.

Σκέψη. Ζητείται η αιτιολόγηση λειτουργίας στην ενεργό περιοχή.

Λύση.

• Ενεργός = κανονική λειτουργία.

Ενδεικτική απάντηση. Στην ενεργό περιοχή η επαφή εκπομπού είναι ορθά και η επαφή συλλέκτη ανάστροφα πολωμένη. Το ρεύμα συλλέκτη I_c παραμένει σχεδόν σταθερό (οριζόντια τμήματα των χαρακτηριστικών) και εξαρτάται από το ρεύμα βάσης I_b (I_c = β·I_b). Έτσι το τρανζίστορ ενισχύει το σήμα με μικρή παραμόρφωση, γι' αυτό είναι η κατάλληλη περιοχή λειτουργίας.

Πρόσεξε:

• Στην ενεργό περιοχή μικρή μεταβολή του I_b (μA) δίνει μεγάλη μεταβολή του I_c (mA).

Άσκηση 7

Εκφώνηση. Τι γνωρίζετε για την πόλωση του τρανζίστορ;

Σκέψη. Ζητείται η πόλωση του τρανζίστορ.

Λύση.

• Δύο επαφές, αντίθετη πόλωση.

Ενδεικτική απάντηση. Για κανονική λειτουργία, η επαφή εκπομπού-βάσης πολώνεται ορθά και η επαφή βάσης-συλλέκτη ανάστροφα. Η τάση πόλωσης του εκπομπού είναι μικρή (λίγα mV πάνω από το κατώφλι) και του συλλέκτη μερικές δεκάδες V. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος πόλωσης είναι με διαιρέτη τάσης (R1, R2), που δίνει σταθερότητα ανεξάρτητα του β και της θερμοκρασίας.

Πρόσεξε:

• Η πόλωση με διαιρέτη τάσης δίνει V_R2 = V_cc·R2/(R1+R2).

Άσκηση 8

Εκφώνηση. Αναφέρετε τις βασικές συνδεσμολογίες του τρανζίστορ.

Σκέψη. Ζητούνται οι βασικές συνδεσμολογίες.

Λύση.

• Ονομάζονται από τον κοινό ακροδέκτη.

Ενδεικτική απάντηση. Οι τρεις βασικές συνδεσμολογίες είναι: κοινού εκπομπού (Κ.Ε.), κοινής βάσης (Κ.Β.) και κοινού συλλέκτη (Κ.Σ.). Κάθε μία παίρνει το όνομά της από τον ακροδέκτη που είναι κοινός (φαινομενικά γειωμένος). Η πιο διαδεδομένη στα ηλεκτρονικά κυκλώματα είναι η κοινού εκπομπού.

Πρόσεξε:

• Κ.Ε.: μέση αντίσταση εισόδου· Κ.Β.: χαμηλή· Κ.Σ.: μεγάλη.

Άσκηση 9

Εκφώνηση. Προσδιορίστε την παράμετρο \( \beta \).

Σκέψη. Ζητείται η παράμετρος β.

Λύση.

• β = λόγος I_c προς I_b.

Ενδεικτική απάντηση. Η παράμετρος β (ή β_dc, ενίσχυση ρεύματος) υπολογίζεται από τη σχέση β = I_c/I_b, με την τάση V_ce σταθερή. Δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερο είναι το ρεύμα συλλέκτη από το ρεύμα βάσης. Παίρνει τιμές από 20 έως 400 (ειδικά τρανζίστορ πλησιάζουν το 1000).

Πρόσεξε:

• Το β συνδέεται με το α: όσο μεγαλύτερο το α, τόσο μεγαλύτερο το β.

Άσκηση 10

Εκφώνηση. Αιτιολογήστε πού οφείλεται η διαφορά φάσης μεταξύ του σήματος εξόδου και του σήματος εισόδου στους ενισχυτές Κ.Ε.

Σκέψη. Ζητείται η αιτία της διαφοράς φάσης στους ενισχυτές Κ.Ε.

Λύση.

• Η έξοδος V_ce = V_cc − I_c·R_c.

Ενδεικτική απάντηση. Στη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού, όταν το σήμα εισόδου αυξάνεται (θετική ημιπερίοδος), αυξάνει η v_be, άρα το I_b και το I_c. Η αύξηση του I_c προκαλεί μεγαλύτερη πτώση τάσης στην R_c, οπότε η τάση εξόδου V_ce = V_cc − I_c·R_c μειώνεται. Δηλαδή όταν η είσοδος ανεβαίνει, η έξοδος κατεβαίνει — γι' αυτό υπάρχει διαφορά φάσης 180° (αντιστροφή φάσης).

Πρόσεξε:

• Η αντιστροφή φάσης 180° είναι χαρακτηριστικό μόνο της συνδεσμολογίας κοινού εκπομπού.

Άσκηση 11

Εκφώνηση. Τι γνωρίζετε για το σημείο Q του τρανζίστορ;

Σκέψη. Ζητείται τι είναι το σημείο Q.

Λύση.

• Q = σημείο ηρεμίας.

Ενδεικτική απάντηση. Το σημείο Q (σημείο ηρεμίας) είναι το σημείο όπου η ευθεία φόρτου τέμνει τη χαρακτηριστική εξόδου του τρανζίστορ. Αντιστοιχεί στη λειτουργία του τρανζίστορ χωρίς σήμα στην είσοδο και δίνει τα συνεχή ρεύματα/τάσεις ηρεμίας (I_c, V_ce). Τοποθετείται στην ενεργό περιοχή για σωστή ενίσχυση.

Πρόσεξε:

• Η ευθεία φόρτου έχει άκρα: I_c = V_cc/R_c (για V_ce=0) και V_ce = V_cc (για I_c=0).

Άσκηση 12

Εκφώνηση. Περιγράψτε τον τρόπο ελέγχου του τρανζίστορ.

Σκέψη. Ζητείται ο τρόπος ελέγχου του τρανζίστορ.

Λύση.

• Ειδικό όργανο ή ωμόμετρο.

Ενδεικτική απάντηση. Ο λεπτομερής έλεγχος γίνεται με ειδικό όργανο, το τρανζιστόρμετρο. Πρακτικά όμως μπορούμε να ελέγξουμε τη λειτουργία με ωμόμετρο, μετρώντας τις δύο επαφές (εκπομπού-βάσης και βάσης-συλλέκτη) σαν να ήταν δίοδοι: σε κάθε επαφή, μικρή αντίσταση στην ορθή πόλωση και μεγάλη στην ανάστροφη σημαίνει ότι το τρανζίστορ λειτουργεί.

Πρόσεξε:

• Ελέγχουμε τις επαφές όπως ελέγχουμε μια δίοδο (δύο μετρήσεις ανά επαφή).

Άσκηση 13

Εκφώνηση. Σχεδιάστε κύκλωμα τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. Να σημειώσετε την πόλωση των κυκλωμάτων εισόδου και εξόδου.

Σκέψη. Ζητείται σχεδίαση κυκλώματος κοινού εκπομπού με σημείωση πόλωσης.

Λύση.

• Είσοδος: επαφή εκπομπού-βάσης ορθά· έξοδος: επαφή συλλέκτη ανάστροφα.

Ενδεικτική απάντηση. Σχεδιάζουμε τρανζίστορ NPN με κοινό τον εκπομπό. Στην είσοδο (βάση-εκπομπός) η πηγή V_bb μέσω R_b πολώνει ορθά την επαφή εκπομπού (θετικό στη βάση). Στην έξοδο (συλλέκτης-εκπομπός) η πηγή V_cc μέσω R_c πολώνει ανάστροφα την επαφή συλλέκτη (θετικό στον συλλέκτη). Έτσι η επαφή εκπομπού-βάσης είναι ορθά πολωμένη και η επαφή βάσης-συλλέκτη ανάστροφα.

Πρόσεξε:

• Δες το σχήμα του βιβλίου (5.7/5.15) για την ακριβή σχεδίαση με τις πολικότητες.

Άσκηση 14

Εκφώνηση. Σε κύκλωμα τρανζίστορ γερμανίου δίνονται τα: \( \beta = 45, V_{cc} = 25\text{V}, V_{bb} = 1{,}8\text{V}, R_c = 5\text{K}\Omega, R_b = 15\text{K}\Omega.\) Να υπολογίσετε τα συνεχή ρεύματα και τις συνεχείς τάσεις του κυκλώματος.

Σκέψη. Τρανζίστορ γερμανίου σε Κ.Ε. Ζητούνται συνεχή ρεύματα και τάσεις.

Λύση.

• Ge: V_be = 0,3 V. I_b = (V_bb − V_be)/R_b· I_c = β·I_b· I_e = I_c + I_b.
• V_ce = V_cc − I_c·R_c.

Απάντηση. V_be = 0,3 V (γερμάνιο). I_b = (V_bb − V_be)/R_b = (1,8 − 0,3)/15 kΩ = 1,5/15000 = \(0{,}1\ \text{mA}\). I_c = β·I_b = 45 × 0,1 = \(4{,}5\ \text{mA}\). I_e = I_c + I_b = 4,5 + 0,1 = \(4{,}6\ \text{mA}\). V_ce = V_cc − I_c·R_c = 25 − 4,5 mA × 5 kΩ = 25 − 22,5 = \(2{,}5\ \text{V}\).

Πρόσεξε:

• Το βιβλίο δίνει V_ce = 2 V, τιμή που προκύπτει αν χρησιμοποιηθεί το I_e (4,6 mA) αντί του I_c. Σωστά, το ρεύμα του συλλέκτη είναι I_c = 4,5 mA, οπότε V_ce = 25 − 22,5 = 2,5 V.

Άσκηση 15

Εκφώνηση. Σε κύκλωμα τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού δίνονται τα στοιχεία: \(I_e = 18\ \text{mA}\), \(I_b = 0{,}51\ \mu\text{A}\) και \(\alpha = 0{,}97\). Ζητείται να υπολογίσετε το ρεύμα συλλέκτη. (Απάντηση: \(I_c = 17{,}4\ \text{mA}\))

Σκέψη. Το ρεύμα συλλέκτη συνδέεται με το ρεύμα εκπομπού μέσω της παραμέτρου \(\alpha\): \(I_c = \alpha\cdot I_e\). Αυτός είναι ο άμεσος δρόμος και χρησιμοποιεί ακριβώς τα δύο μεγέθη που δίνονται αξιόπιστα. Προσοχή: το τρίτο δεδομένο (\(I_b\)) ΔΕΝ συμφωνεί με τα άλλα δύο, οπότε δεν το χρησιμοποιούμε — δες το «Πρόσεξε».

Λύση.

• Η παράμετρος \(\alpha\) ορίζεται ως ο λόγος \(\alpha = I_c/I_e\).
• Άρα \(I_c = \alpha\cdot I_e\).
• Αντικαθιστούμε: \(I_c = 0{,}97 \times 18\ \text{mA} = 17{,}46\ \text{mA}\).
• Στρογγυλοποιώντας όπως το βιβλίο: \(I_c \approx 17{,}4\ \text{mA}\).

Απάντηση. \(I_c = \alpha\cdot I_e = 0{,}97 \times 18 = 17{,}46 \approx 17{,}4\ \text{mA}\).

Πρόσεξε:

• ΠΡΟΣΟΧΗ — τα δεδομένα του βιβλίου δεν είναι συνεπή μεταξύ τους. Αν ίσχυαν \(I_e = 18\ \text{mA}\) και \(\alpha = 0{,}97\), τότε από τον νόμο του Kirchhoff θα έπρεπε \(I_b = I_e - I_c = 18 - 17{,}46 = 0{,}54\ \text{mA}\) — δηλαδή περίπου 540 μΑ, όχι 0,51 μΑ. Το τυπωμένο «0,51 μΑ» φαίνεται να είναι τυπογραφικό (πιθανότατα εννοεί mA).
• Γι' αυτό ΔΕΝ λύνουμε με την αφαίρεση \(I_c = I_e - I_b\): με το \(I_b\) όπως δίνεται (0,51 μΑ = 0,00051 mA) θα έβγαινε \(I_c \approx 18\ \text{mA}\), που έρχεται σε αντίφαση με το κλειδί του βιβλίου (17,4 mA).
• Κράτα τη σχέση των παραμέτρων: \(\alpha = I_c/I_e\) και \(\beta = I_c/I_b\). Το \(\alpha\) είναι πάντα λίγο μικρότερο του 1, ενώ το \(\beta\) είναι μεγάλος αριθμός.

Άσκηση 16

Εκφώνηση. Ενισχυτής με τρανζίστορ πυριτίου, σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού τροφοδοτείται από πηγή τάσης \(24\text{V}\). Οι αντιστάσεις της πόλωσης του κυκλώματος εισόδου έχουν τιμή \( R_1 = 14\text{K}\Omega \) και \( R_2 = 10\text{K}\Omega \). Υπολογίστε την τάση ανάμεσα στον εκπομπό και τη γη.

Σκέψη. Ενισχυτής πυριτίου Κ.Ε. με διαιρέτη. Ζητείται η τάση εκπομπού-γης.

Λύση.

• Τάση βάσης = V_R2 = V_cc·R2/(R1+R2).
• V_E = V_R2 − V_be (Si: V_be = 0,7 V).

Απάντηση. Τάση στη βάση: V_R2 = V_cc·R2/(R1+R2) = 24 × 10/(14+10) = 24 × 10/24 = \(10\ \text{V}\). Με V_be = 0,7 V (πυρίτιο), η τάση του εκπομπού ως προς τη γη είναι V_E = V_R2 − V_be = 10 − 0,7 = \(9{,}3\ \text{V}\).

Πρόσεξε:

• Ο διαιρέτης τάσης δίνει την τάση βάσης ανεξάρτητα από το β του τρανζίστορ.