Basis elektronica Past Paper 2021-2022 PDF

Basis elektronica Auteur: Sam Schotte Industriële wetenschappen en technologie bachelor in de autotechnologie Campus Kortrijk Academiejaar 2021-2022 1 Inhoud 1....

Basis elektronica Auteur: Sam Schotte Industriële wetenschappen en technologie bachelor in de autotechnologie Campus Kortrijk Academiejaar 2021-2022 1 Inhoud 1. Weerstanden................................................................................................................................... 5 1.1. Inleiding................................................................................................................................... 5 1.2. Indeling.................................................................................................................................... 5 1.3. Parameters.............................................................................................................................. 6 1.4. Vaste weerstanden.................................................................................................................. 6 1.4.1. Weerstandswaarde en tolerantie.................................................................................... 6 1.4.2. Aanduiding van de weerstandswaarde........................................................................... 7 1.4.3. Maximaal toelaatbaar vermogen.................................................................................. 10 1.4.4. Draadgewonden weerstanden...................................................................................... 10 1.4.5. Koolweerstanden.......................................................................................................... 10 1.4.6. Metaalfilmweerstanden (precisieweerstanden)........................................................... 11 1.5. Variabele weerstanden......................................................................................................... 11 1.5.1. Potentiometer............................................................................................................... 11 1.5.2. Draadgewonden potentiometers.................................................................................. 12 1.5.3. Koolbaanpotentiometers.............................................................................................. 12 1.5.4. Uitvoeringen.................................................................................................................. 13 1.5.5. Gebruik van de potentiometer...................................................................................... 14 1.5.6. Toepassingen:................................................................................................................ 14 1.6. LDR weerstand....................................................................................................................... 14 1.7. NTC en PTC weerstanden...................................................................................................... 16 1.7.1. De NTC........................................................................................................................... 16 1.7.2. De PTC........................................................................................................................... 17 1.8. Rekstrookjes.......................................................................................................................... 18 2. De diode........................................................................................................................................ 19 2.1. Algemeenheden en terminologie.......................................................................................... 19 2.1.1. Halfgeleidermateriaal.................................................................................................... 19 2.1.2. N-materiaal.................................................................................................................... 19 2.1.3. P-materiaal.................................................................................................................... 20 2.2. De diode................................................................................................................................ 20 2.2.1. De hoofdeigenschap van een diode.............................................................................. 21 2.2.2. Diode karakteristieken.................................................................................................. 22 2.2.3. Uitmeten van de diode.................................................................................................. 25 2.2.4. De diode in een stroomkring......................................................................................... 26 2  2.2.5. De fictieve weerstandswaarde van een diode.............................................................. 27 2.2.6. Serie schakelen van dioden........................................................................................... 28 2.2.7. Parallel schakelen van dioden....................................................................................... 28 2.3. Toepassingsmogelijkheden van een diode............................................................................ 29 2.3.1. Gelijkrichting.................................................................................................................. 29 2.3.2. Onderdrukken van inductiespanningen........................................................................ 30 2.3.3. Polariteitsbeveiliging..................................................................................................... 30 2.3.4. Als beveiligingselement................................................................................................. 31 2.3.5. In de schakeltechniek.................................................................................................... 31 2.4. Uitvoeringen en coderingen.................................................................................................. 32 3. Light Emitting Diode = LED............................................................................................................ 35 3.1. Karakteristiek – eigenschappen............................................................................................ 36 3.2. Welke led?............................................................................................................................. 36 3.2.1. Weerstand kiezen.......................................................................................................... 37 3.3. Datasheet LED....................................................................................................................... 37 4. De Zenerdiode............................................................................................................................... 38 4.1. Inleiding................................................................................................................................. 38 4.2. Karakteristiek......................................................................................................................... 38 4.3. Karakteristieke grootheden................................................................................................... 38 Uitvoeringen.................................................................................................................................. 38 Regels:........................................................................................................................................... 39 4.4. Serie schakelen van zenerdiodes.......................................................................................... 39 4.5. Soorten zenerdiodes............................................................................................................. 39 4.6. Toepassing zenerdiodes....................................................................................................... 40 5. Fotodiode...................................................................................................................................... 41 6. De transistor.................................................................................................................................. 42 6.1. Inleiding................................................................................................................................. 42 6.2. De samenstelling van de transistor....................................................................................... 42 6.3. Constructie en uitvoeringsvormen van transistoren............................................................. 44 6.3.1. De afzonderlijke transistor............................................................................................ 44 6.4. De werking van de transistor................................................................................................ 47 6.4.1. De stromen in een transistor......................................................................................... 47 6.5. De drie wijzen waarop de transistor als overdrachtsfunctie kan worden geschakeld.......... 49 6.5.1. De transistor als stroomversterker................................................................................ 50 3  6.5.2. De verzadigde transistor................................................................................................ 56 6.5.3. De gesperde (afgeknepen) transistor........................................................................... 59 6.6. De darlingtonschakeling........................................................................................................ 62 6.7. De transistor belast met een weerstand in de emitorleiding GCS........................................ 63 6.8. De fototransistor................................................................................................................... 64 6.9. Voorbeelden.......................................................................................................................... 65 6.9.1. Gestabiliseerd voedingsapparaat.................................................................................. 65 6.9.2. Een gelijkspanningsversterker....................................................................................... 65 6.9.3. Een wisselspanningsversterkertrap............................................................................... 66 6.9.4. De transistor als schakelaar........................................................................................... 68 6.9.5. Het in de schakelaar ontwikkelde vermogen................................................................ 69 6.10. Codering en behuizing....................................................................................................... 71 7. Oefeningen.................................................................................................................................... 74 7.1. Weerstanden......................................................................................................................... 74 7.2. Diodes.................................................................................................................................... 76 7.3. LED......................................................................................................................................... 79 7.1. Zenerdiodes........................................................................................................................... 83 7.2. Transistoren........................................................................................................................... 85 4 1. Weerstanden 1.1.Inleiding Weerstanden worden gebruikt voor diverse doeleinden. Een weerstand gaat de toegevoerde elektrische energie 𝑊 = 𝑈. 𝐼. 𝑡 [𝐽] omzetten in warmte energie. In de autotechnologie worden weerstanden gebruikt als:  Zetelverwarming  Achteruitverwarming  Gloeibougies  Kachelverwarming  Spanningsdeler  Voorschakelweerstand 1.2.Indeling Weerstanden kan je indelen volgens vaste weerstanden en variabele weerstanden. De vaste weerstanden: Koolstof Metaalfilm Draadgewonden De variabele weerstanden: instelbare of regelbare (potentiometers) De potentiometers kunnen uitgevoerd zijn als koolstof- of als draadgewonden weerstand. Op zijn beurt kunnen de koolstofweerstanden uitgevoerd zijn met een lineair verloop of een logaritmisch verloop. Symbolische voorstelling 5  1.3.Parameters De belangrijkste parameters voor weerstanden zijn:  De weerstandswaarde  De tolerantie  Het vermogen of belastbaarheid  De temperatuur coëfficiënt 1.4.Vaste weerstanden 1.4.1. Weerstandswaarde en tolerantie De waarden van vaste weerstanden zijn gestandaardiseerd en vastgelegd in E-reeksen ( tolerantiereeksen of normreeksen) genoemd. E192 E96 E48 E24 E12 E6 0,5% 1% 2% 5% 10% 20% De meest voorkomende E-reeksen zijn: 6 Het verband tussen twee opeenvolgende weerstandswaarden in een reeks is de volgende: 6 E6 reeks: 𝑅𝑖 + 1 = 𝑅𝑖. √10 12 E12 reeks: 𝑅𝑖 + 1 = 𝑅𝑖. √10 24 E24 reeks: 𝑅𝑖 + 1 = 𝑅𝑖. √10 Voor weerstandswaarden tussen 100 en 1000 ohm, moet men de getallen uit de tabel vermenigvuldigen met 10. Voor waarden boven 1000 ohm, vermenigvuldigen met 102 enzovoort. Bovenste grens : 22 MΩ De reeksen zijn zo opgevat dat er geen hiaten optreden tussen de verschillende weerstandswaarden uit een reeks, als men de tolerantie in rekening brengt. Voorbeeld: 1.4.2. Aanduiding van de weerstandswaarde Cijfer/letter code Men maakt hierbij gebruik van de letters R (of E), K en M , op de plaats waar een komma of punt staat. Ze geven tevens de vermenigvuldigingsfactor aan (1, 1000, 1000000). Voorbeeld: Code Waarde 18R 4R7 82R 1K5 15K 7  2K7 1M 2M7 E33 4E7 R10 1R33 Ook de tolerantie wordt door een letter aangegeven: Letter Tolerantie - ±20% K ±10% J ±5% G ±2% F ±1% D ±0,5% C ±0,25% B ±0,10% Een cijfer – letter codering wordt meestal gebruikt bij weerstanden van meer dan 2 W. Dus voornamelijk de groep draadgewonden weerstanden. Kleurringen Voor kleine weerstanden (minder dan 1 W) wordt de weerstandswaarde aangegeven met een kleurcode. Kleurcode met 4 ringen 8 Als de vierde ring niet is aangebracht, heeft de weerstand een tolerantie van ±20% Kleurcode met meerdere ringen 9  1.4.3. Maximaal toelaatbaar vermogen In een weerstand wordt de elektrische energie omgezet in warmte. De afmetingen, het materiaal, de constructie en koeling bepalen het maximaal toelaatbaar vermogen bij een bepaalde omgevingstemperatuur. Formule: 𝑃𝑤 = 𝐼². 𝑅 [𝑊] De hoogste temperatuur wordt bereikt in het midden: de hot-spot. De hot-spot temperatuur is de maximaal toegelaten waarde waaronder de weerstand nog naar behoren functioneert. Bij draadgewonden weerstanden laat men 400C° toe, voor kool- en metaalfilmweerstanden 150C°. 1.4.4. Draadgewonden weerstanden De weerstandswaarde wordt bekomen door een weerstandsdraad te wikkelen, dus: 𝜌.𝑙 𝑅= [Ω] 𝐴 Men kan op deze wijze zeer precieze weerstanden maken (tot 1 W). Anderzijds zijn draad gewikkelde weerstanden geschikt om hoge elektrische vermogens te dissiperen. 1 tot 250 W of meer maar dan wel gekoeld. Ze zijn verkrijgbaar van 0,01 Ω tot 150 kΩ. Een weerstandsdraad wordt rond een drager van keramiek of glasvezel gewikkeld. De weerstandsdraad is voorzien van een dun laagje oxyde, dat een elektrische isolator vormt; het isoleert de naast elkaar liggende wikkelingen. De weerstand is bedekt met cement of email. Bij rechthoekige weerstanden wordt het lichaam ondergebracht in een keramische behuizing. Men gebruikt dikwijls weerstandsdraad uit chroomnikkel, chroomijzer of constantaan. Het zijn materialen met een PTC, houdt dus rekening met het feit dat de weerstandswaarde afhankelijk is van de temperatuur. 1.4.5. Koolweerstanden 10 De koolweerstanden zijn meestal oppervlakteweerstand: Een laagje weerstandsmateriaal (meestal kooldeeltjes) wordt aangebracht op een staafje of buisje uit keramiek of glasvezel. Door een groef in het weerstandsmateriaal te slijpen verhoogt men de weerstandswaarde. De weerstand wordt bedekt met enkele lagen beschermende lak. De afmetingen (lengte en de diameter) zijn bepalend voor het maximaal toelaatbaar vermogen. Richtwaarden: De weerstandswaarden gaan van 10Ω tot 22MΩ. De meest gebruikte normreeks is E12. Opmerking: Weerstanden beneden de 10Ω worden dikwijls ook als koolweerstanden aangeduid, hoewel het weerstandsmateriaal bestaat uit een nikkellaag. Koolweerstanden hebben een negatieve Ω temperatuur coëfficient: −300. 10−6 𝐶 1.4.6. Metaalfilmweerstanden (precisieweerstanden) Op een staafje of buisje van hoogwaardig keramisch materiaal wordt een dun laagje opgedampt: vb legeringen van nikkel, chroom , aluminium. In de film wordt dan een spiraalvormige groef geslepen om de gewenste weerstandswaarde te verkrijgen. Het geheel wordt bedekt door enkele lagen lak. Het gaat hier vooral om precisieweerstanden, met grote stabiliteit, betrouwbaarheid en geringe ruis en tolerantie. Vooral bedoeld voor computers, telecommunicatie, meetinstrumenten. E96 en E192 reeksen. 1.5.Variabele weerstanden 1.5.1. Potentiometer 11 Een potentiometer (ook wel potmeter genoemd) is een variabele weerstand, waarvan de weerstand wordt bepaald door de stand van een mechanisch beweegbare component. Men onderscheidt tussen de schuifpotentiometer, waarvan de weerstandswaarde varieert als men een onderdeel ervan verschuift, en de 'gewone' draaipotentiometer, waarbij dit gebeurt door aan een onderdeel ervan te draaien. Potmeters bestaan in zowel lineaire als logaritmische versies: lineair - Een lineaire potmeter heeft een weerstandselement met een constante diameter, waardoor de weerstand tussen de slede en een van de uiteinden proportioneel is tot de afstand tussen beide. Een lineaire potmeter is te herkennen aan een letter B op de behuizing, volgens de "oude" standaard was dit een A. logaritmisch - Een logaritmische potmeter heeft een weerstandselement dat conisch toeloopt van het ene naar het andere uiteinde, waardoor de weerstand tussen de slede en een van de uiteinden logaritmisch verloopt als functie van de afstand tussen beide. Dit type wordt vooral toegepast in audioversterkers omdat de amplitudegevoeligheid van het menselijk oor ook logaritmisch is. Hierdoor kan een volumeknop met een bereik van "0" tot "10" zorgen dat een niveau van "5" half zo luid klinkt als een niveau van "6". Een logaritmische potmeter is altijd te herkennen aan een letter A op de behuizing, volgens de "oude" standaard was dit een B. 1.5.2. Draadgewonden potentiometers Voor vermogens boven 0,5W worden uitsluitend draadgewonden potentiometers gebruikt. 1.5.3. Koolbaanpotentiometers De weerstandswaarde wordt gevormd door een laag koolstofdeeltjes. Net als bij de draadgewonden potentiometers kan de weerstandsverandering als functie van de hoekverdraaiing van de loper lineair (a) , logaritmisch (b) of antilogaritmisch (c) zijn. 12 Het toelaatbaar vermogen: 0,25 W voor logaritmische potentiometers 0,5 W voor lineaire potentiometers. De beschikbare weerstandswaarden: E –reeksen 1.5.4. Uitvoeringen Regelbare potentiometers Instelpotentiometers Dit zijn koolbaanpotentiometers maar hier moet de loper met een schroevendraaier verplaatst worden. Ze worden dus gebruikt voor een in principe eenmalige afstelling. 13  1.5.5. Gebruik van de potentiometer Kies de verhouding Rt/ R0 niet te groot. Belast de loper niet te zwaar: 𝐼𝑡 ≤ √𝑃𝑚𝑎𝑥/𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑎𝑙 Kies een potentiometer waarbij Pmax ruim boven de werkelijke vermogendissipatie ligt Belaste potentiometer 1.5.6. Toepassingen:  Gaskleppositiesensor  Dashboard verlichting  Hoogte instelling koplampen  Volumeknop 1.6.LDR weerstand Een Lichtgevoelige weerstand ook LDR (Light Dependent Resistor) is een elektrisch component waarvan de weerstand beïnvloed wordt door de hoeveelheid licht die erop valt. 14 De weerstandswaarde van een LDR wordt kleiner, naarmate de LDR sterker wordt. Hierdoor kan de waarde van de weerstand sterk variëren. Het gebruikte materiaal is meestal cadmiumsulfide, de donkerweerstand bedraagt 1-10 MΩ terwijl de lichtweerstand (afhankelijk van het type en de hoeveelheid licht) 75-300 Ω is. 15  1.7.NTC en PTC weerstanden 1.7.1. De NTC De NTC weerstand of NTC thermistor is een weerstand met een negatieve temperatuur coëfficient. Als de temperatuur stijgt wordt de weerstandswaarde kleiner. Het verloop is meestal logaritmisch. Symbolische voorstelling Uitvoeringen NTC weerstanden worden in allerhande vormen gemaakt. Voor printmontage wordt bijvoorbeeld een rond schijfje van aansluitingen voorzien, gelakt en met een kleurcodering. Bij een motortemperatuurvoeler wordt zo een schijfje onder in een messing huls aangebracht. 16  1.7.2. De PTC De PTC weerstand of PTC thermistor is een onderdeel waarvan de weerstand bij temperatuurverhoging toeneemt. PTC staat voor positieve temperatuur coëfficient. Van de meeste metalen geleiders neemt de weerstand bij warmer worden toe. Het bijzondere van een PTC weerstand is, dat de weerstandswaarde zeer snel toeneemt bij een bepaalde temperatuur. Symbolische voorstelling Toepassingen PTC als verwarming  Automatische choke  Buitenspiegel  Dieselbrandstoffilter  Lambdasonde  ruitensproeierkoppen 17  1.8.Rekstrookjes Een rekstrookje is een elektronische component waarmee de mate van vervorming (uitrekken of inkrimpen, torsie) van een materiaal kan worden gemeten. Een rekstrookje bestaat uit een folie met daarop een elektrische geleider. Men plakt dit strookje op het voorwerp waarvan de rek gemeten moet worden. 18 2. De diode 2.1.Algemeenheden en terminologie 2.1.1. Halfgeleidermateriaal Halfgeleiders zijn materialen met een elektrische geleidbaarheid die tussen deze van de echte geleiders en deze van de isolatoren varieert. De halfgeleidertheorie bewijst onder meer zijn nut bij de fabricage van diodes, bipolaire transistoren, FET’s, MOSFET’s, diacs, triacs, GTO’s … In deze cursus zullen we ons beperken tot de studie van diodes en bipolaire transistoren. Wij richten ons vooral op de praktische eigenschappen en toepassingen van de halfgeleiders. In de elektronica gebruikt men tegenwoordig vooral silicium (Si, atoomgetal 14) als halfgeleidend element. Vroeger gebruikte men hoofdzakelijk germanium (Ge,atoomgetal 32). Merk op dat zowel Si als Ge vier elektronen bezitten op hun buitenste schil. Met intrinsiek Si of Ge bedoelt men gewoon zéér zuiver Si of Ge. De totale lading van zuiver Si of Ge is nul. De ∑ e- =∑ p+. 2.1.2. N-materiaal Als we nu zuiver Si of Ge gaan mengen (doperen) met een element met 5 elektronen op de buitenste schil dan noemen we dat N- materiaal. De totale lading = 0. Want de ∑ e- =∑ p+ blijft gelden. Alleen gaat het aantal elektronen en protonen verhogen. Men gebruikt bijvoorbeeld fosfor (P), arsenicum (As) of antimoon (Sb) en noemt deze verontreinigingen vaak “donors”. De atomen streven naar een octetstructuur. Nu is er dus een vrij elektron aanwezig in het N – materiaal, het vrij elektron zorgt voor de geleiding. 19  2.1.3. P-materiaal P-materiaal is intrinsiek Si of Ge dat moedwillig verontreinigd of gedopeerd werd met een element met 3 elektronen op de buitenste schil. Men gebruikt bijvoorbeeld boor (B), aluminium (Al), gallium (Ga) of indium (In) en noemt deze verontreinigingen vaak “acceptors”. Hier is terug de totale lading = 0. Maar hier zijn er minder elektronen en protonen aanwezig dan in het N-materiaal. Want hier gaan de atomen terug een octetstructuur willen vormen. Maar hier is er een elektron tekort om een octetstructuur te vormen. Er is een zogenaamd “gat” aanwezig. In beide gevallen is de verontreinigings- of dopatiegraad zeer klein: typisch 1 op 106 tot 108 bij Si (dit betekent dat er slechts 1 vreemd atoom aanwezig is per 106 tot 108 Siatomen). De concentratie van ongewenste verontreinigingen moet vanzelfsprekend nog kleiner zijn zodat men inderdaad moet uitgaan van zéér zuiver Si (of Ge). 2.2.De diode De samenvoeging van een stukje P-materiaal met een stukje N-materiaal doet een PN overgang of m.a.w. een PN-junctie ontstaan. Bij een dergelijke PN-junctie is er een smal overgangsgebied (bvb. 1 µm of smaller) tussen een P-zone en een N-zone. In de toegepaste elektronica wordt een dergelijke PN-structuur een diode genoemd. Een diode heeft een anode en een kathode en heeft aldus twee aansluitdraadjes. De symbolische voorstelling van een diode is hier weergegeven. De anode-aansluiting (A) is aan de P-zone en de kathode-aansluiting (K) is aan de N zone. In de handel zijn vele types diodes te koop. De specifieke kenmerken voor een bepaalde diode worden door de fabrikant verstrekt in de datasheets. 20  2.2.1. De hoofdeigenschap van een diode De hoofdeigenschap van een PN-junctie of diode is dat zij de elektrische stroom goed kan geleiden (doorlaten) in de richting van A naar K, doch niet (of nagenoeg niet) in de richting van K naar A (let op de pijl die in het diode-symbool verweven zit). De onderstaande schakelingen illustreren deze hoofdeigenschap overduidelijk. De schakeling bestaat uit een batterij welke een gelijkspanning van 6 V levert, een diode en een gloeilamp L. In de bovenstaande figuur is de diode in doorlaat gepolariseerd: A is positief ten opzichte van K zodat er stroomgeleiding is van A naar K. Men zegt dat de diode voorwaarts (“forward”) gepolariseerd is. De diodestroom vloeit ook door de lamp zodat deze oplicht. Indien de diode anders gepolariseerd is, krijgen we de volgende situatie: In de bovenstaande figuur is de diode in sperrichting gepolariseerd: A is negatief ten opzichte van K zodat er geen stroomgeleiding is van K naar A. Men zegt dat de diode invers (“reverse”) gepolariseerd is. Er vloeit dan ook geen diodestroom door de lamp zodat deze niet oplicht. Merk bij de twee bovenstaande figuren op dat het niet de diode is die de stroom doet vloeien. Het is de batterij die bepaalt welke potentiële stroomzin er kan vloeien (namelijk van + naar -). De polariteit van de diode bepaalt dan of deze stroom ook effectief vloeit of niet. 21 Een diode is goed te vergelijken met een vloeistofklep die zich opent bij de ene stroomzin, doch de tegenovergestelde stroomzin verhindert (denk aan een éénrichtingsklep of terugslagklep). 2.2.2. Diode karakteristieken 2.2.2.1. doorlaatkarakteristiek Als we de diode aansluiten in doorlaatzin, en we verhogen stelselmatig de spanning, dan zien we dat er vanaf een spanning van 0.5V een minimale stroom kan lopen. Voeren we de spanning op, dan stijgt de stroom en vanaf 0,7V is er bijna volledige doorlaat. Deze spanning is de energie die nodig is om de dunne sperlaag te doorbreken, de diffusiespanning genoemd. Als we de spanning nog verhogen zien we dat de spanning over de diode ongeveer dezelfde blijft. Gebruiken we een Ge diode dan zal de spanning over de diode ongeveer 0,3V bedragen. De diode gedraagt zich vanaf 0,7V als een gesloten schakelaar  0,7V is de drempelspanning voor Si diodes (0,3V voor Ge)  OPGELET: indien er geen verdere verbruiker aanwezig is in de kring, krijg je vanaf de drempelspanning KORTSLUITING tussen de klemmen van de bron  DAAROM steeds STROOMBEGRENZINGSWEERSTAND in serie plaatsen!!! 22  2.2.2.2. Sper karakteristiek Als we nu de diode omgekeerd aansluiten, dus de kathode aan de plusklem en de anode aan de minklem dan zien we dat de volledige spanning over de diode blijft staan. De stroom in de keten is zeer klein (voor Si ongeveer 20 tot 100nA en voor Ge 2 tot 10µA). Dus ondanks de zeer grote weerstand die de diode nu heeft zal er toch een zeer kleine stroom vloeien, lekstroom genoemd. Deze is afhankelijk van de temperatuur. Bij verhogen van de temperatuur zal de stroom lichtjes verhogen; dit typeert de negatieve temperatuurscoëfficient van de halfgeleider waaruit de diode is gemaakt.  Geen geleiding  Gedraagt zich als een open schakelaar  Loopt een zeer kleine lekstroom (microampères)  Vanaf de doorslagspanning geeft de diode de geest, deze spanning in sper nooit overschrijden!!!  Sommige diodes werken net in dit gebied (=zenerdiodes) 2.2.2.3. Diodekarakteristiek Zoals in voorgaande gezien, hebben we kunnen opmaken dat de diode in doorlaatrichting een bijzonder lage weerstand en in sperrichting een bijzonder hoge weerstand heeft. De weerstandswaarden hebben geen constante waarden. Om enig inzicht hierin te verwerven maken we gebruik van een karakteristiek. In de karakteristiek wordt aangeduid hoe de stroom zich gedraagt bij het verhogen van de spanning, dit zowel in doorlaat als in sper. In doorlaatrichting zien we dat bij een spanning van 0,6V voor Si en 0,2V voor Ge de stroom begint te stijgen. De diffusiespanning moet overwonnen worden (te vergelijken met de druk van de veer bij de vergelijking met de terugslagklep). De spanning hiervoor nodig noemt men de drempelspanning. Boven deze spanning zien we dat de stroom bij de minste verhoging van de spanning lijnrecht stijgt en grote waar den kan aannemen. Hierbij kan de maximale toelaatbare stroom in doorlaat van de diode overschreden worden en de diode vernietigen. We moeten dan ook deze stroom beperken in de diode door een weerstand in serie in de schakeling op te nemen. In sperrichting zien we dat er slechts een zeer kleine stroom vloeit en dit tot een bepaalde spanning. We noemen deze stroom de lekstroom. Boven deze bepaalde spanning, doorslagspanning genoemd, gaan de sperrende eigenschappen van de diode volledig verloren. Er ontstaat een grote stroom die in de praktijk de diode meestal zal vernietigen. Ook de temperatuur van de diode speelt een voorname rol, zowel in doorlaat als in sper. Bij verhoging van de temperatuur in doorlaat zal de diode voor eenzelfde spanning een grotere stroomvoeren (afname van de diodespanning met 2mV/graad Celsius). In sperrichting zal bij verhoging van de temperatuur van de diode een grotere lekstroom het gevolg zijn (verdubbeling van de lekstroom elke verhoging van 10 graden Celsius). 23  2.2.2.4. Vermogenhyperbool Vermits de enige beperking bij een diode in doorlaat de stroom is, daar de spanningsval altijd rond de 0,7V voor Si en 0,3V voor Ge bedraagt, moeten we er op letten dat de stroom door de diode de maximum stroom niet overschrijdt. Dit gegeven kunnen we terugvinden in de documentatie van de fabrikant, die hij meestal samenbundelt in een boek. Bijvoorbeeld zullen we voor een diode met het typenummer 1N4006 een maximum doorlaatstroom van 1A vinden. Voor een diode met het typenummer 1N4148 bedraagt dit 75mA. Aangezien er over de diode een bepaalde spanning staat en er een bepaalde stroom doorloopt, zal de diode opwarmen. Een te hoge temperatuur (boven de 140°C) beschadigt de diode. Vandaar dat montage op een koelplaat dikwijls noodzakelijk is voor vermogendiodes. Men spreekt bij diodes en in het algemeen bij halfgeleiders over de toegestane warmteontwikkeling of toegestane dissipatie. In de karakteristiek wordt het gebied waarin teveel warmte wordt geproduceerd rechts van lijn A weergegeven. De lijn zelf noemt men de dissipatiehyperbool. Het is de verzameling van punten waarop de maximum toegestane dissipatie wordt bereikt. Uitgaande van de max. dissipatie van de diode en de eventuele spanningsval kunnen we elk punt van deze lijn berekenen. Voorbeeld in de figuur: gegeven: Pmax=15W; oplossing: We nemen U = 1V => I = Pmax/U = 15/1 = 15A We nemen U = 2V => I = 15/2 = 7,5A We nemen U = 3V => I = 15/3 = 5A In sper heeft de diode een zeer grote weerstand en zal er bijgevolg slechts een zeer kleine lekstroom kunnen vloeien. Ten gevolge van deze grote weerstand zal de bronspanning vrijwel geheel over de diode komen te staan. Van belang is nu dat de aangelegde spanning de maximum sperspanning van de diode niet overschrijdt, daar de diode dan zal doorslaan en onherroepelijk defect zal zijn. Voor een diode met het typenummer IN4006 is de max. sperspanning 800V, voor een 1N4148 75V. Dissipatie is het deel van het vermogen dat wordt omgezet in warmte, met andere woorden het is de energie die door de diode is opgenomen. Als er door een diode een stroom IF vloeit, staat er over de 24 diode een spanning UF en neemt de diode energie op. Wanneer de dissipatie echter te groot wordt, dan zal door de temperatuurstijging beschadiging van de diode optreden. Een diode dissipeert dus een vermogen: Ptot = Uf. If [W] Dit geldt alleen voor zuivere gelijkstroom. De verkregen karakteristiek wordt de dissipatiehyperbool genoemd. De ontstane warmte moet aan de omgeving worden overgedragen, omdat anders de temperatuur van de diode te hoog zou worden. Dioden voor grote stromen worden daarom vaak van koelvinnen of koelribben voorzien. 2.2.3. Uitmeten van de diode Een diode kan je testen met een multimeter. Daarvoor moet je de multimeter in de diodestand plaatsen, en dan de rode pen aan de anode en de zwarte aan de kathode. Dan lees je de doorlaatspanning af van de diode. Als je de pennen omdraait, zal de diode in sper staan. Met de diodetest op een multimeter kunnen we op een meer efficiënte wijze halfgeleiders uitmeten. De stand diodetest wordt meestal met het symbool van de diode aangegeven. De "com"-ingang van dergelijke meter vertegenwoordigt meestal de minklem van de batterij die in de multimeter aanwezig is; de "V"-of "Ω"-ingang de plusklem. Wanneer we nu de anode van de diode aan de "Ω"-ingang en de kathode van de diode aan de "com"-ingang van de meter aansluiten zullen we de diode in doorlaat meten. De meter geeft een aanduiding die overeen stemt met de diffusiespanning van de diode. Sluiten we de diode andersom aan, zal ze in sper aangesloten zijn en de meter zal niets aanwijzen. Door het meten met een digitale multimeter kunnen we aldus een drietal gegevens te weten komen:  Het goed of slecht zijn van de diode;  Si of Ge diode;  de aansluitklemmen van de diode 25  2.2.4. De diode in een stroomkring 2.2.4.1. Bepalen van de belastingslijn  Bepalen open spanning (punt A)  Bepalen van de kortsluitstroom (punt B) 2.2.4.2. Bepalen van het werkpunt In de praktijk gebruikt men de belastingslijn om te bepalen hoe groot de weerstand moet zijn bij een bepaalde stroom. 26  2.2.5. De fictieve weerstandswaarde van een diode Oefening: Voor welke weerstand zorgt de diode in volgend voorbeeld:  Ub=5V  Siliciumdiode  R= 1kohm 27  2.2.6. Serie schakelen van dioden Wanneer de maximaal toelaatbare sperspanning van een diode te laag is, kan men twee of meer dioden in serie schakelen. De toelaatbare spanning wordt hierdoor tweemaal zo groot als va néén diode. Het verband tussen de stroom en spanning kan nu grafisch worden bepaald. Men tekent eerst de doorlaatkarakteristieken van de dioden. Door beide deelspanning bij een en dezelfde stroom op te tellen, ontstaat de nieuwe grafiek waarvoor geldt: 𝐼𝑓 = 𝑓(𝑈𝑓1 + 𝑈𝑓2) Door fabricagetoleranties wordt de spanning ongelijk verdeeld. Een gelijkmatige verdeling van de sperspanning over de afzonderlijke dioden kan worden bereikt door het parallelschakelen van weerstanden. Omdat dioden niet even snel recombineren (hun sperlaag opbouwen) kan het voorkomen, dat de eerste diode al spert terwijl de tweede nog geen spanning kan sperren. Het resultaat is dat de eerste diode doorslaat. Om dat te voorkomen worden over de diode condensatoren geschakeld. 2.2.7. Parallel schakelen van dioden Wanneer de totale stroom in doorlaatrichting voor een diode te groot is, schakelt men twee of meer dioden parallel. Voor parallel schakelen is het absoluut noodzakelijk dat de drempelspanning van de dioden gelijk is, omdat geringe variaties al een ongelijkmatige stroomverdeling veroorzaken. De diode waardoor de grootste stroom gaat, wordt meer verwarmd, waardoor deze tenslotte kapot gaat. Een gelijkmatige stroomverdeling wordt bereikt doro weerstanden in de grootte orde van milli ohm, in serie te schakelen. Dit veroorzaakt extra warmteverlies en wordt daarom niet toegepast. Bij het parallel schakelen van dioden moet de totale stroom 20% lager zijn dan de som van de deel-doorlaatstromen, 0,2 zoals die door de producent zijn aangegeven. Men past de formule: 𝑑 = 0,8 + toe, waarbij n het 𝑛 aantal parallel-dioden is en d het percentage waarmee elke diode belast mag worden. Het verband tussen de stroom en de spanning kan terug grafisch bepaald worden. Door beide deelstromen bij een en dezelfde spanning op te tellen, ontstaat de nieuwe grafiek waarvoor geldt: (𝐼𝑓1 + 𝐼𝑓2) = 𝑓(𝑈𝑓) 28  2.3.Toepassingsmogelijkheden van een diode 2.3.1. Gelijkrichting Toepassing in alternatoren, transformatoren (opladers GSM),… 29 2.3.2. Onderdrukken van inductiespanningen 2.3.3. Polariteitsbeveiliging 30 2.3.4. Als beveiligingselement 2.3.5. In de schakeltechniek 31  2.4.Uitvoeringen en coderingen Parameters o Maximale sperspanning Ur o Doorlaatspanning o Maximum toegelaten vermogen o Maximum continu doorlaatstroom Vb. Zie www.diodes.com en www.gotron.be 32 33 34 3. Light Emitting Diode = LED Led’s worden vervaardigd door verontreiniging van het halfgeleider materiaal. In doorlaatrichting geven deze diodes een deel van de gedissipieerde energie af in de vorm van licht. Kleur is afh. van golflengte, niet van behuizing!  Infrared 1.6 V  Red 1.8 V to 2.1 V  Orange 2.2 V  Yellow 2.4 V  Green 2.6 V  Blue 3.0 V to 3.5 V  White 3.0 V to 3.5 V  Ultraviolet 3.5 V Voordelen t.o.v. gewone gloeilamp? o Kleiner o Langere levensduur o Ongevoelig voor schokken en trillingen o Kortere schakeltijden o Lager verbruik 35 3.1.Karakteristiek – eigenschappen  De drempelspanning is hoger dan een gewone diode en afhankelijk van de kleur.  De toelaatbare inverse spanning is zeer laag! -3 à -10V  De doorlaatstroom is afhankelijk van de uitvoering.  Vanaf +-1mA straalt LED licht uit. (sterkte afh van stroom)  Toepassen van een voorschakelweerstand.(Imax beperken)  Ptot = If. Uf (mW) 3.2.Welke led?  Lichtsterkte of intensiteit (luminous intensity)  Kleur  Beschikbare spanning  A.d.h.v. keuze led via datasheet de voorschakelweerstand bepalen. 36  3.2.1. Weerstand kiezen  Lichtintensiteit van 1.0 => If = 20mA (rood)  If = 20mA => Uf = 1,85V (groen)  Rvs = (Ubron – Uf) / If = 207,5 Ohm  Indien kleinere weerstand wat gebeurt er?  Wat bij een grotere? 3.3.Datasheet LED 37 4. De Zenerdiode 4.1.Inleiding De zenerdiode heeft in doorlaatrichting dezelfde karakteristiek als de gewone diode! De zenerdiode is echter ontworpen om te worden gebruikt in de sperrichting. Dit kan door het halfgeleidermateriaal gepast te verontreinigen. De zenerdiode gaat niet stuk als de doorslagspanning bereikt wordt. Deze ligt lager (2,7V tot 200V) t.o.v. gewone diode. De doorslagspanning noemt men de zenerspanning 4.2.Karakteristiek 4.3.Karakteristieke grootheden Uitvoeringen Code vb: BZY93 C9V1 => 9,1V Zenerspanning Temperatuurscoëfficient zenerspanning tot 6V NTC boven 6V PTC) 5 tot 6V bijna onafhankelijk van temperatuur Bij PTC vb.: +9mV /°C Vermogensdissipatie Pd = Uz. Iz (max 0,5…100W) Serieschakeling van zenderdiodes of diodes (tot 2,1V). 38  Goede werking = Iz niet te klein Kniezone is gevaarlijk, minste verandering Iz = Uz verandert sterk! Regels: Izmin = Iz max/10 Iz max = Pmax / Uz 4.4.Serie schakelen van zenerdiodes Uz = 15V en Iz = 150mA 2 oplossingen: 2 x C7V5 Pd = ? (per zenerdiode) 1x C15 Pd = ? Stel zelfde toegelaten vermogen (vb 2250mW, welke schakeling kan meeste stroom trekken 4.5.Soorten zenerdiodes – Referentie diodes (5 tot 6V) – Spannings-stabilisatie diodes (tot +-3,5V met diodes) De reden is: de zener-karakteristiek is minder steil dan de doorlaatkarakteristiek van de gewone diodes. Spanningsregelaars of zenerdiodes. (6 tot 20V 39  4.6.Toepassing zenerdiodes Zenderdiode BZY96/C9V1 Uz = 9.1V Pdmax = 1,5W 40 5. Fotodiode 41 6. De transistor 6.1.Inleiding De transistor is een halfgeleidercomponent met drie aansluitingen, die men achtereenvolgens emitor, basis en collector noemt. De transistor heeft een uitgebreid toepassingsgebied. Men kan er elektrische signalen (in de vorm van spanning, stroom of vermogen) mee versterken. Ook kan men de transistor gebruiken als schakelaar, waarbij belangrijke nadelen van de mechanische schakelaar, zoals slijtage der contacten en het zogenaamde 'denderen', niet voorkomen. 6.2.De samenstelling van de transistor Het hart van de transistor bestaat uit een brokje monokristallijn halfgeleidermateriaal, waarin zich naast elkaar drie verschillende geleidende gebieden bevinden. Fig. 1 geeft aan, dat dit op twee manieren kan gebeuren. figuur 2: Schemasymbolen van transistoren figuur 1:de beide wijzen waarop een transistor samengesteld kan zijn Er ontstaan op deze wijze twee verschillende soorten transistoren, die men achtereenvolgens NPN- transistor en PNP-transistor noemt. Deze transistoren onderscheiden zich door de verschillende richtingen van de stroom die zij voeren, hetgeen men in de schemasymbolen (Fig.2) aangeeft door de richting van het pijltje in de emitorleiding. De transistor vormt in wezen de combinatie van twee halfgeleiderdioden. Een vervangingsschema van de transistor kan er dan ook uitzien zoals is getekend in fig.3. Toch kan een transistor niet uit twee afzonderlijke dioden worden samengesteld. Dit houdt verband met de bijzondere constructie van de basis. De basis is het gezamenlijke anodegedeelte van die twee dioden bij de NPN-transistor of het gezamenlijke kathodegedeelte bij de PNP-transistor. Deze basis is namelijk bijzonder dun:slechts enkele microns. Zo'n dunne basis is essentieel voor de werking van de transistor. Het afzonderlijk functioneren van de basis-collectordiode en de basis-emitterdiode kan echter op de normale wijze worden gecontroleerd: 42 figuur 3:De transistor, diode-vervangingsschema in de doorlaatrichting is er vrijwel volledige stroomgeleiding (er is natuurlijk wel een drempelspanning) en in de keerrichting is er vrijwel volledige isolatie (er vloeit wel een kleine lekstroom) Fig.4 laat deze proeven zien voor een NPN-transistoren fig.5 voor een PNP-transistor. NPN-transistoren komen het meeste voor. Zonder nadere aanduiding zullen wij daarom steeds deze transistor bedoelen. figuur 4: proeven over het diodegedrag van een NPN-transistor 43 figuur 5: Proeven over het diodegedrag van een PNP-transistor 6.3.Constructie en uitvoeringsvormen van transistoren Transistoren komen op twee wijzen voor : 1 als zelfstandige constructie, 2 als onderdelen in een zogenaamde geïntegreerde schakeling: (Engels: 'lntegrated Circuit' of'IC'). 6.3.1. De afzonderlijke transistor Naar de aard van het halfgeleidermateriaal onderscheidt men tot op heden twee soorten transistoren: de germaniumtransistoren en de siliciumtransistoren. De Ge-transistoren zijn op de achtergrond geraakt door de opkomst van Si-transistoren. Ten opzichte van Ge-transistoren hebben Si-transistoren de volgende voordelen: a een veel geringere lekstroom, b een groter temperatuurgebied waarin ze nog goed functioneren, c de diffusietechniek bij silicium geeft extreem kleine afmetingen van de transistoren, hetgeen toepassingen bij zeer hoge frequenties mogelijk maakt. De allereerste transistoren (in 1947 een ontdekking van de Amerikanen Shockley, Bardeen en Brattain) waren puntcontacttransistoren. Deze instabiele constructie werd spoedig verdrongen door de Si-transistor. Evenals bij de lagendiode kan men ook transistoren volgens het legeringsproces of volgens het diffusieproces vervaardigen. 44 figuur 6: Constructie van een legeringstransistor A: Ge-kristal met In-pillen B: de drager, waarop het Ge-kristal wordt gesoldeerd C: de metalen bodem, waarop de collector wordt gesoldeerd De Si-transistor figuur 7: 45 Bij Si-transistoren worden de verontreinigingsatomen meestal door diffusie aangebracht. Dit is een ingewikkeld, doch goed reproduceerbaar proces. Men onderscheidt enkele diffusie, waarbij een P- geleidend gebied door overdosering met een donorverontreiniging N-geleidend wordt gemaakt, en dubbele diffusie, waarbij een gedeelte van het zo ontstane N-geleidende gebied opnieuw P-geleidend wordt gemaakt met een overdosering van acceptorverontreiniging. Het principe van een dubbel-gediffundeerde transistor is aangegeven in fig 8 Op een rijk verontreinigd plakje N-silicium wordt eerst door opdampen (het zg. epitaxiaalproces) een armer verontreinigd N-geleidend laagje van 5 micrometer aangebracht. Het rijk verontreinigde plakje vormt de collectoraansluiting hiervan wil men de weerstand zo gering mogelijk houden. In het laagje van 5 mircon wordt nu de eigenlijke transistor aangebracht! Eerst brengt men overdosering met een P- vormer (Borium) het basisgedeelte aan, vervolgens door hernieuwde overdosering met fosfor twee stroken N-gebied, die gezamelijk de emitor vormen. Bij hoogfrequenttransistoren zijn de transistorkristalletjes zeer klein: 0,3 x 0,3 mm². Ze worden met 3000 stuks tegelijk gemaakt uit een ronde plak met een diameter van ongeveer 3 cm en een dikte van 200 micron. Het transistorkristalletje wordt op een drager gelast: De collectoraansluiting. Basis en emitor worden met gouddraadjes van 15 micron dikte verbonden met aansluitpennetjes. Het diffusieproces is mogelijk doordat op silicium beschermde lagen SiO2, kunnen worden aangebracht, die eenvoudig ontstaan door het kristal aan de buitenkant te oxideren. Die SiO2-laag wordt weggeëtst op de plaatsen waar de verontreiniger in het kristal moet dringen. Nadat de transistor gereed is, wordt het gehele kristal nogmaals geoxideerd; dit geeft een zeer goede bescherming tegen vreemde stoffen, die later in het kristal zouden kunnen dringen. Deze afschermtechniek heeft de levensduur en de betrouwbaarheid van transistoren zeer verbeterd. Uitvoeringsvoeringsvormen Transistoren worden in talloze soorten omhullingen opgeborgen. Fig. 9 geeft hiervan enige voorbeelden. figuur 8: Dubbel gedifundeerde Si-transistor figuur 9: 46  6.4.De werking van de transistor 6.4.1. De stromen in een transistor De beide dioden, waaruit de transistor is samengesteld, worden gewoonlijk op volgende wijze geschakeld. fig 10: a de emitor-basisdiode in de doorlaatrichting b de collector-basisdiode in de keerrichting We zouden verwachten dat figuur 11: Voor de werking van de NPN-transistor geldt nl. het volgende. De emitter-basisdiode staat in de doorlaatrichting. Daardoor ontstaat diffusie van meerderheidsladingdragers : gaten uit de basis gaan naar de emitter en elektronen uit de emitter gaan naar de basis. Nu is de basis zoveel armer verontreinigd dan de emitter dat de gatenstroom van basis naar emitter wel te verwaarlozen is. Er blijft dus alleen de elektronenstroom over van emitter naar basis. De elektronen die zo in de basis aankomen zijn daar minderheidsladingdragers. In een gewone diode verdwijnt zo'n overschot aan minderheden na verloop van enige tijd door recombinatie met de meerderheden. De vers aangekomen minderheden dringen daarbij, door hun beweeglijkheid, wel over enige afstand het nieuwe gebied binnen: gemiddeld enige tientallen microns. Nu is de basis, waar de verse elektronen uit de emitter aankomen, zo dun (bijv. 5 micron), dat de minderheidsconcentratie bij de collector- 47 basisovergang nog maar nauwelijks verminderd is. De collector-basisdiode is geschakeld in de keerrichting. We weten dat de lekstroom van een diode in de keerrichting veroorzaakt wordt door het bestaan van een minderheidsconcentratie. Bij de collectorbasisdiode is die minderheidsconcentratie nu op kunstmatige wijze geweldig opgevoerd, en daarmee ook de lekstroom van deze diode. Het komt er nu op neer dat vrijwel alle door de emitter-basisdiode aangevoerde elektronen als lekstroom van de collector-basisdiode naar de collector verdwijnen. Deze geïnjecteerde lekstroom, de zogenaamde collectorstroom, is onafhankelijk van de collector-basisspanning. Slechts een zeer kleine fractie (gewoonlijk minder dan 1%) van de elektronen in de basis verdwijnt door recombinatie. Om het gatenverlies, dat hierdoor in de basis ontstaat, weer aan te vullen vloeit er een hele kleine stroom door de basisleiding naar de basis. deze situatie is aangegeven in volgende figuur figuur 12: De stroompijlen geven hier de gebruikelijke stroomrichting aan. Bij NPN-transistoren zijn het de negatieve ladingdragers (elektronen), die de werking bepalen. De beweging van deze ladingdragers is dus in feite juist andersom als de pijlen aangeven. De werking van de PNP-transistor berust op de bewegingen van positieve ladingdragers (gaten). De verklaring van de werking vinden we door in het voorgaande de rol van gaten en elektronen te verwisselen. In het schema van volgend figuur is voor de PNPtransistor de positieve stroomrichting tevens de richting van de ladingdragers, die de werking bepalen. Merk op, dat ook de spanningsbronnen een andere polariteit leveren. figuur 13: 48  6.5.De drie wijzen waarop de transistor als overdrachtsfunctie kan worden geschakeld Een transistor heeft drie aansluitpunten. Hiervan wordt er een als ingangsklem beschouwd, één als uitgangsklem, terwijl de derde klem voor ingang en uitgang dienst doet. dit levert zes verschillende combinaties op waar van er maar drie worden gebruikt figuur 14: 49  6.5.1. De transistor als stroomversterker De stromen in een transistor Welke van de drie transistor aansluitingen we ook gemeenschappelijk nemen er verandert niets aan de onderlinge verhoudingen van collectorstroom, basisstroom en emitterstroom, zolang de CB-diode in keerrichting en de BE-diode in doolaatrichting is aangesloten. figuur 15: Het bepalen van de stromen in een transistor figuur16:bereken IB,IC en IE Als de doorlaatspanning 0,7 V bedraagt is de basisstroom 50 IB = IC = IE = De stroomversterking in de GES (h fe , ) h fe = = IC/IB bijvoorbeeld 4,95mA/0,050 mA Voorbeeld geg: Een transistor heeft een stroomversterking van h fe =150 De stroom door de transistor wil men instellen op 3 mA ( collectorstroom is nagenoeg gelijk aan de emitorstroom) Gevraagd de waarde van RB en de collectordissipatie PC figuur 17: Oplossing 51 figuur 18: De transistor belast met een weerstand in de collectorleiding De spanningsverdeling tussen transistor en weerstand figuur 19: = 50 , drempelspanning Ube= 0,7 V URB= IRB= Ic= URc= UCE= 52 Voorbeeld figuur 20: Op welke spanning (Uvoltmeter ) moet de potentiometer worden ingesteld om het relais te laten aantrekken? Bij welke spanning op de potentiometer (Uvoltmeter ) valt het relais weer af? Hoe groot is in beide gevallen de spanning over de transistor en de collectordissipatie? Het relais trekt aan bij 40 mA en valt af bij 10 mA Oplossing: 53 Transistorkarakteristieken figuur 21: De volgende karakteristieken worden het meest gebruikt: figuur 22: I. De ingangskarakteristiek UBE=f( IB ) bij een constante waarde van UCE II De overdrachtskarakteristiek: IC=f(IB) bij constante waarde van UCE. Er geldt IC = hfe.IB III De uitgangskarakteristiek IC =f(UCE) bij constante waarde van IB. Daar IC de geïnjecteerde lekstroom van een diode in keerrichting is, is deze stroom in principe onafhankelijk van U CE. De karakteristiek loopt daarom vrijwel horizontaal 54 Voorbeeld figuur 24: figuur 23: Grafische oplossing van de spanningsverdeling tussen transistor en weerstand (zie figuur 24 en 25 ) 55 figuur 25: I. is de uitgangskarakteristiek van de transistor bij een basisstroom IB= 0,2 mA II. is de belastingskarakteristiek van een spanningsbron van 20 V in serie met een weerstand van 1,2 k U0 = open spanning IK = kortsluitstroom Het punt P vinden we als het snijpunt van de transistorkarakteristiek en de belastingskarakteristiek. We lezen nu af, dat de transistorspanning UCE= 8V en de spanning over RC, URC = 12V Door P eerst over te brengen op de overdrachtskarakteristiek en vervolgens op de ingangskarakteristiek vinden we :UBE = 0,55 V 6.5.2. De verzadigde transistor figuur 26: figuur 27: na meting vinden we de volgende waarden figuur 28: figuur 29: Samenvattend: 56 Wanneer over de transistor vrijwel geen spanning staat tengevolge van spanningsverlies over de collectorweerstand, zeggen we dat de transistor verzadigd is. Nagenoeg de gehele voedingsspanning valt dan over de weerstand. oefening figuur 30: figuur 31: Gevraagd voor figuur 30 en 31 IC en UCE en is er verzadiging ? oplossing: 57 Voor welke waarde van RB is de transistor juist verzadigd? Figuur 32 figuur 32: 58  6.5.3. De gesperde (afgeknepen) transistor Als door sturing aan de basis bereikt wordt dat IC = 0 is de transistor volledig gesperd (afgeknepen). Dus IC = 0 URC= 0V en UCE = 12V figuur 33: figuur 34: in geval b moet voor een Si transistor R1 =0,4V/0,05 A = 8M  Grafische voorstelling van de gesperde (afgeknepen) transistor figuur 35: 59 figuur 36: samenvatting npn-transistor 60 figuur 37: samenvatting pnp-transistor 61  6.6.De darlingtonschakeling Het is mogelijk met behulp van twee transistoren een nieuwe transistor samen te stellen met een veel grotere hfe. De emitor stroom of de collectorstroom van de eerste transistor is de basisstroom van de tweede transistor figuur 38: figuur 39: Een voorbeeld is een automatische parkeerlichtschakelaar Als het donker wordt stijgt de spanning op B. Als die spanning groter wordt dan ongeveer 3x0,6 V =1,8V gaan de transistoren geleiden en gaat de lamp branden. figuur 40: 62  6.7.De transistor belast met een weerstand in de emitorleiding GCS Eigenschappen: figuur41: 1.De uitgangsspanning is bijna even groot als de ingangsspanning, er is een klein verschil ten gevolge van de drempelspanning van BE-diode 2.Sturing kan geschieden met veel grotere waarden van de ingangsspanning dan bij GES 3. De ingangsweerstand is hoog :hfe.RE 4. De uitgangsweerstand is laag : Rbron/ hfe  Voorbeeld relais laten optrekken met een LDR figuur 42: 63  6.8.De fototransistor De lekstroom van een transistor is te beïnvloeden door licht te laten vallen op de collector-basisdiode in keerrichting. Door de basis open te laten moet deze lekstroom afvloeien naar de emitor, welke lekstroom dan ook hfe wordt verstrekt. figuur 43: figuur 44: Bijvoorbeeld een verlichtingsmeter figuur45: 64  6.9.Voorbeelden 6.9.1. Gestabiliseerd voedingsapparaat IB = 10 mA IZ= 7mA als hfe= 50 ; dan kan de voeding 50x10mA = 0,5 A leveren De collectordissipatie = 4W figuur 46:gestabiliseerd voedingsapparaat 6.9.2. Een gelijkspanningsversterker figuur 47: gelijkspanningsversterker De spanningsversterking Uuit Au  Uin Rc1 Rc 2 Au  Re 1 Re 2 65  6.9.3. Een wisselspanningsversterkertrap Een moeilijkheid bij wisselspanningsversterkers is, dat een transistor alleen maar gelijkspanning kan voeren. Het is daarom noodzakelijk bij de ingangswisselstroom ib een gelijkstroom I B op te tellen, die zo groot is dat de totale ingangsstroom steeds dezelfde richting houdt en nooit gelijk aan nul wordt. Door middel van condensator C1 scheiden we de ingangsgelijkstroom IB van de stuurbron. Door middel van C2 scheiden we de uitgangsgelijkstroom en -spanning weer af van het wisselspanningsignaal figuur 48: figuur 49: 66 figuur 50: de wisselspanningsversterking is Au = Uuit / Uin = 9,0 V / 0,1 V = 90 67  6.9.4. De transistor als schakelaar Wanneer de transistor aan de basis zodanig wordt gestuurd dat de transistor of afgeknepen is, of verzadigd is, en nooit anders,gedraagt de transistor zich als schakelaar. A: Ic = 0 en Uc =12V (afgeknepen) B: Uc = 0 (praktisch 0,1 tot 0,3 V) Ic= 12mA figuur 51: Sturing van een NPN -Siliciumtransistor Als we aannemen dat de drempelspanning van de diode en de BEdiode 0,7V is gaat de transistor pas geleiden als Uin >2x 0,7V=1,4 V dan is Uin= (0,7+0,7+22.0,1)V = 3,6 V Dus als ook de ingangspanning veel kleiner is dan 10V is de transistor verzadigd. De weerstand van 100kohm dient om de openbasistoestand te voorkomen. Bij berekening houden we met die weerstand geen rekening figuur 52: 68 figuur 53: spanningen en stromen 6.9.5. Het in de schakelaar ontwikkelde vermogen figuur 54: De fabrikant geeft bijvoorbeeld op UCmax= 35V ICmax= 0,7A PCmax= 0,5W UCsat= 0,7 V Vermogen bij afgeknepen toestand (sch open)..... Vermogen bij verzadigde toestand (sch gesloten)..... 69 figuur 55: figuur 56: eenvoudige thermostaat figuur 57:transistor-ontsteking voor otto-motor 70  6.10. Codering en behuizing figuur 58: 71 figuur 59: 72 figuur 60: 73 7. Oefeningen 7.1.Weerstanden 1. Een veel gebruikte standaardreeks vaste weerstanden is de E12 reeks. Stel de lijst met beschikbare weerstanden samen (volgens deze E12 reeks) tussen 100 en 1000 ohm Tip: gebruik de formule Ri+1 = Ri. 10 1/12 100 1000 2. Welke weerstandswaarde heeft de weerstand met volgende opgedrukte code code weerstandswaarde 18R 4R7 1k5 2M7 3. Zoek de weerstandswaarde op van de volgende weerstanden met gedrukte kleurcode Tip: je mag de kleurentabel op pagina lin.weerst.5 gebruiken (ook op het examen is de kleurentabel gegeven) Ring 1 Ring 2 Ring 3 Ring 4 weerstandswaarde (eerste (tweede cijfer) (derde (tolerantie) cijfer) cijfer) bruin grijs rood Goud bruin zwart groen Goud bruin zwart rood Goud 4. Toelaatbaar vermogen Welke stromen zijn toegelaten door volgende weerstanden (ze worden aangesloten op 12 volt) Toelaatbaar weerstandwaarde Toelaatbare vermogen stroom ¼ watt 1k5 74  1 watt 680 ohm 5. Wat is het verschil tussen een logaritmische en een lineaire potentiometer. Verduidelijk uw antwoord met een grafiek 75 7.2.Diodes 76 77 78  7.3.LED 1. Eenvoudige 12V LED-tester. (kijken als er spanning over een batterij of component staat) Geg: Imax =10mA Rode LED: Uf = 1,6V Gev: Hoe groot moet Rvs zijn? Welke functie heeft de SI - diode? 2. Polariteitsindicator Geg: Bron = 12V Mag dit? Imax =10mA Rode LED: Uf = 1,6V Gev: Hoe groot moet Rvs zijn? 79 3. Welk ledje zal er branden? 4. Bipolaire Led = 2 LED’s in 1 behuizing 5. Led achterlicht Als je de verlichting aanzet, worden de ledstrengen "gedimd" door de weerstand tussen de diodes. (Of: Als de verlichting is ingeschakeld, branden de LED's via de weerstanden van 68 en 39 Ohm. De totale voorschakelweerstand is in dat geval dus 107 Ohm.) 80  Als je op de rem trapt, zorgt de middelste diode ervoor dat de kentekenverlichting niet gaat branden. De andere 2 laten door zodat via de weerstanden aan de ledstregen de led's vol gaan branden (20 mA, vandaar de voorschakelweerstanden). (Of: Als op het rempedaal wordt getrapt, wordt de weerstand van 68 Ohm "overgeslagen". De totale voorschakelweerstand is dan alleen nog maar die van 39 Ohm en de LED's branden feller.) Onderste ledjes zijn kentekenverlichting Op onderstaand schema is de achterverlichting van een motorfiets weergegeven. De 40 bovenste rode ledjes (2 strips van elk 20) nemen elk een spanning op van 1,8V. De onderste 4 witte ledjes voor de nummerplaatverlichting hebben een Uf van 3V. Bij de bediening van de remlichten gaan de ledjes straffer branden dan wanneer ze bediend worden door het opzetten van het dimlicht. Bewijs dit door de stroom bij inschakelen van remlicht en bij dimlicht te berekenen. Wat gebeurt er als het omcirkelde ledje defect gaat? Waarom worden de meeste ledstrips van een voorschakeldiode voorzien? 6. Hoe groot moet Rvs minimum zijn? Verklaar 81  Wat is het nut van de diode in deze schakeling? De weerstand R is in de drie leidingen dezelfde. Hoe groot moeten we R minimum kiezen als we weten dat Uf led = 2V en Pmax = 50mW. Wat zullen we merken aan de lichtsterkte van de ledjes in de 3 leidingen. Leg grondig uit. 7. Wat zal er gebeuren met de volgende schakeling. Zoek de fout. 82  7.1.Zenerdiodes 1) Uz = 8V (400mW) Uv = 50V Rv = 2,2KOhm Gevraagd: Bepaal Rl Tip: Bepaal: Izmax > Izmin >Irv >IRL > Rl 2) Uz = 8V (400mW) Rv = 2,2KOhm Gevraagd: Tussen welke grenzen mag Uv variëren zodat Ucd 8V blijft. Tip: Bepaal: Izmax > Izmin >Irv >IRL > Rl Uv = 18V Uz1 = Uz2 = Uz3 = 6V Gevraagd: Bereken Ucd 83 Gevraagd: Bij welke Uv zal LED 1 branden? Bij welke Uv zal LED 2 branden? Neem Uf = 2V voor de LED’s en Uz =6V. 84  7.2.Transistoren 1. Reken uit 85