Hoofdstuk 8: Versterkende Elementen

Na dioden voor gelijkrichting maken we nu de stap naar onderdelen die spanning, stroom en/of vermogen kunnen versterken. We richten ons vooral op bipolaire transistoren en behandelen ook kort de veldeffect-transistor (FET). Enige kennis van de werking van halfgeleiderdioden uit het vorige hoofdstuk is nodig om deze versterkende elementen te kunnen begrijpen.

1. Inleiding

Versterkerschakelingen worden gebouwd rond transistoren of FET's. Deze moeten goed worden ingesteld om de schakeling naar behoren te laten werken. Dat gebeurt met weerstanden.

Herhaling Wet van Ohm:
U = I × R | I = U / R | R = U / I
Tip: Dek de grootheid die je zoekt af in het driehoekje (U bovenaan, I×R onderaan) en je ziet de formule.

2. De Transistor

2.1 Opbouw en werking

Een transistor kun je zien als twee in tegengestelde richting geschakelde dioden met een gemeenschappelijke anode (of kathode). Stel je twee dioden voor die met hun anodes aan elkaar zijn verbonden: normaal zou er geen stroom kunnen lopen omdat altijd een van beide spert. Maar als je de gemeenschappelijke anode een klein stroompje geeft, gebeurt er iets bijzonders: er gaat een veel grotere stroom door beide dioden lopen. De drie aansluitingen heten:

Examenstof - Transistor elektroden:

Emitter - "uitzender" van ladingdragers (de bron waar elektronen of gaten vandaan komen)
Basis - de dunne middenlaag die de stroom stuurt (hier vindt de "magie" plaats)
Collector - "verzamelaar" van ladingdragers (vangt de meeste ladingdragers op)

Waarom werkt dit?
Elektronen komen de transistor binnen via de emitter en gaan naar de basis. Normaal zouden ze daar recombineren met de gaten in het P-materiaal van de basis. Maar de collector heeft een hogere positieve spanning, waardoor de meeste elektronen worden "weggetrokken" naar de collector voordat ze kunnen recombineren. Ze zijn de gaten in de basis zogezegd "te snel af". Zo ontstaat er een grote collectorstroom uit een kleine basisstroom.

2.2 NPN en PNP transistoren

Er zijn twee "smaken" transistoren, afhankelijk van hoe de halfgeleidermaterialen zijn gestapeld:

NPN-transistor

N-materiaal aan weerskanten van P-basis
Ladingdragers: elektronen
Collector: positief t.o.v. emitter
Pijl in symbool wijst naar buiten

PNP-transistor

P-materiaal aan weerskanten van N-basis
Ladingdragers: gaten
Collector: negatief t.o.v. emitter
Pijl in symbool wijst naar binnen

Ezelsbruggetje: Bij NPN wijst de pijl Naar buiten (Not Pointing iN). De werking is identiek, alleen de polariteiten zijn omgekeerd. Wat bij NPN plus is, is bij PNP min en omgekeerd. Je kunt het verschil herkennen aan de pijlpunt in het schemasymbool.

2.3 Drempelspanning basis-emitter

Emitter en basis vormen samen een diode in geleiding. Net als bij een gewone diode moet er een minimale spanning over staan voordat er stroom gaat lopen. De spanning over deze diode is:

Examenstof - Drempelspanning:

Silicium (Si): circa 0,6 tot 0,7 V
Germanium (Ge): circa 0,2 V

Silicium is tegenwoordig verreweg het meest gebruikte materiaal.

Een kleine verandering in de basis-emitterspanning veroorzaakt een grote verandering in de collectorstroom. Bijvoorbeeld: een verandering van 0,7 naar 0,8 V kan de collectorstroom van 100 mA naar 400 mA laten stijgen! Daarom moet een transistor goed worden ingesteld om stabiel te werken en niet door te slaan.

2.4 Instellen van een transistor

Een transistor in een versterkerschakeling wordt ingesteld met weerstanden. De stroom door de transistor moet zodanig zijn dat de transistor heel blijft en dat het versterkte signaal er met zo min mogelijk vervorming uitkomt.

Weerstand	Symbool	Functie
Basisweerstanden	R_b1, R_b2	Instellen van de basisspanning (spanningsdeler)
Collectorweerstand	R_c	Zet collectorstroom om in spanning voor volgende trap
Emitterweerstand	R_e	Stabiliseert de werking, voorkomt "weglopen"

De basisspanning is bij Si: spanning over R_e + 0,6-0,7 V (de basis-emitterdiode).

Waarom stabiliseert R_e?
Als de collectorstroom dreigt toe te nemen (bijvoorbeeld door opwarming), stijgt ook de spanning over R_e. Daardoor daalt de spanning over de basis-emitterdiode, wat de basisstroom verlaagt en de collectorstroom weer terug brengt. Zo remt R_e het "weglopen" van de transistor af.

2.5 Spanningsversterking

Omdat de basisstroom veel kleiner is dan de emitterstroom (denk aan ~1%), zijn emitterstroom en collectorstroom vrijwel gelijk. De spanningsversterking is dan:

Voorbeeld: Met R_c = 3,3 kΩ en R_e = 1 kΩ is de versterking ongeveer 3,3×.

Hoe kan de spanning worden versterkt?
Je stopt een kleine wisselspanning in (op de basis) en krijgt een grotere wisselspanning uit (op de collector). Dit kan omdat de transistorstroom vrijwel helemaal wordt bepaald door de kleine spanningsvariatie over de basis-emitterdiode. De veel grotere spanning tussen collector en emitter heeft daar nauwelijks invloed op. De benodigde energie komt uit de voedingsspanning, die daarom voldoende hoog moet zijn.

Let op: Tegenfase!
Bij een transistorversterker zijn ingangs- en uitgangssignaal in tegenfase: als de ingangsspanning maximaal is, is de uitgangsspanning minimaal en omgekeerd. Dit komt doordat een hogere basisspanning leidt tot meer collectorstroom, waardoor de spanning over R_c toeneemt en de collectorspanning daalt.

3. De Veldeffect-Transistor (FET)

3.1 Verschil met de "gewone" transistor

De FET (Field Effect Transistor) werkt fundamenteel anders dan de bipolaire transistor. Het belangrijkste verschil is dat een FET wordt aangestuurd door een spanning in plaats van een stroom:

Eigenschap	Transistor	FET
Aangestuurd door	Stroom (basisstroom)	Spanning (gatespanning)
Stuurelektrode	Basis (geleidt)	Gate (spert altijd)
Stuurstroom nodig?	Ja, basisstroom	Nee, praktisch geen gatestroom
Ingangsweerstand	Relatief laag	Zeer hoog (MΩ-bereik)

Praktisch gevolg: Doordat de FET geen stuurstroom nodig heeft, belast hij de voorafgaande schakeling nauwelijks. Dit maakt de FET ideaal voor toepassingen waar een hoge ingangsweerstand gewenst is, zoals bij gevoelige meetinstrumenten of als eerste trap in een ontvanger.

3.2 Opbouw en werking

Een FET heeft een PN-junctie die altijd spert. Dit is het grote verschil met een transistor, waar de basis-emitter junctie juist geleidt. De stroom gaat niet door de junctie, maar erlangs door het kanaal. De breedte van de uitputtingszone (het gebied zonder vrije ladingdragers rond de junctie) regelt hoeveel stroom er kan lopen.

Examenstof - FET elektroden:

Source - waar ladingdragers binnenkomen (vergelijkbaar met de emitter)
Drain - waar ladingdragers naar buiten gaan (vergelijkbaar met de collector)
Gate - stuurelektrode die de kanaalbreedte regelt via de uitputtingszone (maar laat zelf geen stroom door!)

Wat is de uitputtingszone?
Rond elke PN-junctie is een gebied waar geen vrije ladingdragers aanwezig zijn: de uitputtingszone. Bij een FET gebruikt men dit verschijnsel om de stroom te regelen. Door de gatespanning te veranderen, verandert de dikte van de uitputtingszone. Een dikkere uitputtingszone betekent een smaller kanaal en dus minder stroom.

3.3 N-FET en P-FET

Net als bij transistoren zijn er twee types, afhankelijk van het materiaal van het kanaal:

N-FET (N-kanaal)

Kanaal van N-materiaal
Gate van P-materiaal
Ladingdragers: elektronen
Gate: 0V of negatief t.o.v. source
Drain: positief t.o.v. source

P-FET (P-kanaal)

Kanaal van P-materiaal
Gate van N-materiaal
Ladingdragers: gaten
Gate: 0V of positief t.o.v. source
Drain: negatief t.o.v. source

Het verschil in schemasymbool zie je aan de pijlrichting van de gate. De polariteiten zijn bij N-FET en P-FET tegengesteld, net als bij NPN en PNP transistoren.

3.4 Werking van de FET

Het mechanisme in detail:
De spanning in het kanaal verandert geleidelijk van sourcespanning naar drainspanning. Omdat de gatespanning constant blijft, neemt de spanning over de junctie toe naarmate je dichter bij de drain komt. Daardoor wordt de uitputtingszone daar breder en het effectief geleidende deel van het kanaal smaller. Dit "zelfbeperkende" effect zorgt ervoor dat de drainstroom relatief constant blijft, zelfs als de drain-sourcespanning verandert.

Vergelijking met transistor:
Net als bij de transistor heeft de drain-sourcespanning (behalve bij heel lage waarden) weinig invloed op de drainstroom. Dit is vergelijkbaar met de geringe invloed van de collectorspanning op de collectorstroom. In beide gevallen wordt de stroom vooral bepaald door de spanning op de stuurelektrode (basis of gate).

3.5 FET-versterkerschakeling

Een FET-versterker lijkt op een transistorversterker, maar met een belangrijk verschil:

De spanningsversterking is ook hier ongeveer R_D/R_S, maar iets kleiner dan bij een transistor door eigenschapsverschillen tussen beide componenten.

Ook bij FET: tegenfase!
Net als bij de transistor zijn ingangs- en uitgangssignaal in tegenfase. Dit komt door hetzelfde principe: meer gatespanning betekent meer drainstroom, meer spanning over R_D, en dus een lagere drainspanning.

4. Herkenning en Uiterlijk

Transistoren en FET's zijn op het oog niet van elkaar te onderscheiden. Ze komen in vele behuizingen voor, van heel klein tot groot (vermogenstransistoren met koelplaatbevestiging). De grotere exemplaren hebben vaak een gat om ze op een koelplaat te kunnen schroeven, omdat ze meer vermogen moeten afvoeren.

Om te weten wat je hebt, heb je het typenummer nodig dat er altijd op staat. Hiermee kun je in datasheets opzoeken of het een transistor of FET is, en welk type (NPN/PNP of N-FET/P-FET). Het materiaal (Si of Ge) staat ook in de datasheet - tegenwoordig is vrijwel alles silicium.

5. Samenvatting

Kernpunten voor het examen:

Transistor: stroomversterker, kleine basisstroom stuurt grote collectorstroom
Transistor elektroden: emitter, basis, collector
NPN vs PNP: tegengestelde polariteiten, NPN gebruikt elektronen, PNP gaten
Drempelspanning basis-emitter: Si ~0,6-0,7 V, Ge ~0,2 V
Spanningsversterking transistor: ≈ R_c / R_e
FET: spanningsgestuurd, de gate spert altijd (geen gatestroom)
FET elektroden: source, drain, gate
N-FET vs P-FET: tegengestelde polariteiten
Spanningsversterking FET: ≈ R_D / R_S
Tegenfase: bij beide typen zijn in- en uitgangssignaal in tegenfase
FET's komen vooral voor in foute antwoorden bij examenvragen over het N-programma