Λύσεις Κεφαλαίου 5 – Τρανζίστορ (Κρυσταλλοτρίοδος) (σελ. 192-193) – 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.

• Οι τεχνικές ξεχωρίζουν ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας και την ισχύ που επιτυγχάνουν.

Ενδεικτική απάντηση. Οι κυριότερες τεχνικές είναι: κράματος (χαμηλές συχνότητες, μικρή/μέση ισχύ), διάχυσης (πολύ λεπτή βάση, υψηλές συχνότητες έως UHF), ανάπτυξης (υψηλές συχνότητες έως 100 MHz), επιταξιακή (πολύ λεπτές περιοχές, 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 τρανζιστορόμετρο. 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 1

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 2

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 3

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: \(I_c = 0{,}97 \times 18\ \text{mA} = 17{,}46\ \text{mA}\).
• Στρογγυλοποιούμε: \(I_c \approx 17{,}5\ \text{mA}\) (το βιβλίο δίνει 17,4 mA).

Απάντηση. \(I_c = \alpha\cdot I_e = 0{,}97 \times 18 = 17{,}46 \approx 17{,}5\ \text{mA}\) (το βιβλίο δίνει 17,4 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 4

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.