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).

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.

De rol van weerstanden is:

De elementen zo instellen dat ze doen wat ze moeten doen
Omzetting van signaal van stroom naar spanning

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). De drie aansluitingen heten:

Examenstof - Transistor elektroden:

Emitter - "uitzender" van ladingdragers
Basis - de dunne middenlaag die de stroom stuurt
Collector - "verzamelaar" van ladingdragers

De werking in het kort:

Een kleine basisstroom stuurt een (veel) grotere collectorstroom
De emitterstroom is de som van basis- en collectorstroom
De collectorstroom is typisch 10 tot 100+ keer zo groot als de basisstroom

2.2 NPN en PNP transistoren

Er zijn twee "smaken" transistoren:

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.

2.3 Drempelspanning basis-emitter

Emitter en basis vormen samen een diode in geleiding. De spanning over deze diode is:

Examenstof - Drempelspanning:

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

Een kleine verandering in de basis-emitterspanning veroorzaakt een grote verandering in de collectorstroom. Daarom moet een transistor goed worden ingesteld.

2.4 Instellen van een transistor

Een transistor in een versterkerschakeling wordt ingesteld met weerstanden:

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).

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:

Spanningsversterking ≈ R_c / R_e

Examenstof: De spanningsversterking is bij benadering gelijk aan de verhouding collectorweerstand : emitterweerstand.

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

Let op: Tegenfase!
Bij een transistorversterker zijn ingangs- en uitgangssignaal in tegenfase: als de ingangsspanning maximaal is, is de uitgangsspanning minimaal en omgekeerd.

3. De Veldeffect-Transistor (FET)

3.1 Verschil met de "gewone" transistor

De FET (Field Effect Transistor) werkt fundamenteel anders dan de bipolaire transistor:

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)

3.2 Opbouw en werking

Een FET heeft een PN-junctie die altijd spert. De stroom gaat niet door de junctie, maar erlangs door het kanaal. De breedte van de uitputtingszone regelt hoeveel stroom er kan lopen.

Examenstof - FET elektroden:

Source - waar ladingdragers binnenkomen
Drain - waar ladingdragers naar buiten gaan
Gate - stuurelektrode die de kanaalbreedte regelt via de uitputtingszone

3.3 N-FET en P-FET

Net als bij transistoren zijn er twee types:

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.

3.4 Werking van de FET

Er loopt alleen stroom door het kanaal
De gate spert altijd - er loopt (bijna) geen gatestroom
De gatespanning regelt de dikte van de uitputtingszone en daarmee de effectieve kanaalbreedte
Richting drain wordt de uitputtingszone breder en het kanaal smaller
Sourcestroom en drainstroom zijn even groot

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.

3.5 FET-versterkerschakeling

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

Geen weerstand tussen gate en voeding nodig (er loopt geen gatestroom)
Alleen een (hoge) gateweerstand R_G naar 0V of de voedingsspanning
R_G is typisch 1 MΩ of hoger

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

Ook bij FET: tegenfase!
Net als bij de transistor zijn ingangs- en uitgangssignaal in tegenfase.

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).

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).

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