O tranzistorech na prstech. Část 1. Bipolární tranzistory.

V této sérii článků se pokusíme vysvětlit tak složité součástky, jako jsou tranzistory, jednoduchým a srozumitelným způsobem.

Dnes se tento polovodičový prvek nachází téměř na všech deskách plošných spojů, v jakémkoliv elektronickém zařízení (v mobilních telefonech, v rádiích, v počítačích a další elektronice). Tranzistory jsou základem pro stavbu logických čipů, pamětí, mikroprocesorů. Pojďme přijít na to, co je to za zázrak, jak funguje a co způsobuje tak širokou škálu jeho uplatnění.

Tranzistor je elektronická součástka vyrobená z polovodičového materiálu, obvykle se třemi svorkami, která umožňuje řízení proudu vstupním signálem.

Mnoho lidí věří, že tranzistor zesiluje vstupní signál. Spěchám vás zklamu – samy o sobě, bez externího zdroje energie, tranzistory nic nezesílí (zákon zachování energie ještě nebyl zrušen). Zesilovač lze postavit na tranzistor, ale to je pouze jedna z jeho aplikací a pro získání zesíleného signálu je potřeba speciální obvod, který je navržen a vypočítán pro konkrétní podmínky plus je nutný zdroj energie.

Samotný tranzistor může řídit pouze proud.

Co je nejdůležitější věc, kterou potřebujete vědět? Tranzistory se dělí do 2 velkých skupin: bipolární a s efektem pole. Tyto 2 skupiny se liší strukturou a principem působení, proto budeme hovořit o každé z těchto skupin zvlášť.

Takže první skupina je – bipolární tranzistory.

Tyto tranzistory se skládají ze tří vrstev polovodiče a jsou rozděleny do 2 typů podle své struktury: PNP и npn. První typ (pnp) se někdy nazývá dopředně vodivé tranzistory a druhý typ (npn) se nazývá zpětně vodivé tranzistory.

Co tato písmena znamenají? Jaký je rozdíl mezi těmito tranzistory? A proč zrovna dvě vodivosti? Jak už to tak bývá, pravda je někde poblíž. © Všechno důmyslné je jednoduché. N — negativní (anglicky) — negativní. P — pozitivní (anglicky) — pozitivní. Jedná se o označení typů vodivosti polovodičových vrstev, ze kterých se tranzistor skládá. „Pozitivní“ je vrstva polovodiče s „dírovou“ vodivostí (v ní mají hlavní nosiče náboje kladné znaménko), „negativní“ je vrstva polovodiče s „elektronovou“ vodivostí (v ní mají hlavní nosiče náboje
záporné znaménko).

Struktura a označení bipolárních tranzistorů ve schématech zapojení jsou na obrázku vpravo. Každý výstup má svůj vlastní název. E – emitor, K – kolektor, B – báze. Jak zjistit základní výstup ve schématu? Snadno. Je to indikováno platformou, na které spočívá kolektor a emitor. Jak zjistím emitor? Je to také snadné – to je závěr s šipkou. Zbývající výstup je kolektor. Šipka na emitoru vždy ukazuje směr proudu. V souladu s tím pro npn tranzistory proud protéká kolektorem a bází a vytéká z emitoru; u pnp tranzistorů je to naopak: proud protéká emitorem a vytéká kolektorem a bází.

Pojďme se ponořit hlouběji do teorie. Tři vrstvy polovodiče tvoří dva pn-přechody v tranzistoru. Jeden je mezi emitorem a bází, obvykle se mu říká emitor, druhý je mezi kolektorem a bází, obvykle se mu říká kolektor.

Každý ze dvou přechodů pn může mít dopředné nebo zpětné předpětí, takže existují čtyři hlavní režimy činnosti tranzistoru v závislosti na předpětí pn přechodů (nezapomeňte, že pokud je napětí na straně s vodivostí typu p větší než na straně s vodivostí typu n, pak se jedná o dopředné předpětí přechodu pn, je-li to opačné, je-li to opačné). Níže, na obrázcích znázorňujících každý režim, šipky ukazují směr od vyššího napětí k nižšímu napětí (toto není směr proudu!). To usnadňuje navigaci: pokud šipka směřuje z „p“ na „n“, jedná se o dopředné vychýlení pn přechodu, pokud od „n“ do „p“, je to obrácené vychýlení.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru:

1) Pokud je přechod emitoru pn předpjatý dopředu a přechod kolektoru je obrácený, pak je tranzistor v normální aktivní režim (někdy prostě říkají: „aktivní režim“, vynechávají slovo normální). V tomto režimu kolektorový proud závisí na proudu báze a souvisí s ním následujícím vztahem: Iк=Iб*β.

Aktivní režim se používá při konstrukci tranzistorových zesilovačů.

2) Jsou-li oba přechody předpětí, tranzistor je in saturační režim. V tomto případě kolektorový proud přestane záviset na základním proudu v souladu s výše uvedeným vzorcem (ve kterém byl koeficient β), přestane se zvyšovat, i když budeme pokračovat ve zvyšování základního proudu. V tomto případě se říká, že tranzistor je plně otevřený nebo jednoduše otevřený. Čím hlouběji jdeme do oblasti nasycení, tím více se závislost Ik=Ib*β rozpadá. Navenek to vypadá, jako by β koeficient klesal. Řeknu také, že existuje takový koncept jako koeficient nasycení. Je definován jako poměr skutečného základního proudu (ten, který právě máte) k základnímu proudu v hraničním stavu mezi aktivním režimem a saturací.

3) Pokud máme zpětné předpětí na obou přechodech, tranzistor je in v režimu cutoff. V tomto případě jím neprotéká žádný proud (kromě velmi malých svodových proudů – zpětné proudy přes p-n přechody). V tomto případě říkají, že tranzistor je zcela uzavřen nebo jednoduše uzavřen.

Při konstrukci tranzistorových spínačů se používají režimy saturace a cutoff.

4) Pokud je zpětné předpětí na přechodu emitoru a dopředné předpětí na přechodu kolektoru, pak tranzistor přejde do inverzní aktivní režim. Tento režim je poměrně exotický a používá se jen zřídka. Navzdory tomu, že na našich nákresech se zářič od kolektoru neliší a v podstatě by měly být ekvivalentní (podívejte se znovu na horní nákres – na první pohled se nic nezmění, pokud kolektor a zářič prohodíte), ve skutečnosti mají konstrukční rozdíly (například ve velikosti) a nejsou ekvivalentní. Právě kvůli této nerovnosti existuje rozdělení na „normální aktivní režim“ a „inverzní aktivní režim“.

Někdy se také rozlišuje pátý, tzv. „bariérový režim“. V tomto případě je báze tranzistoru zkratována ke kolektoru. Ve skutečnosti by bylo správnější mluvit ne o nějakém speciálním režimu, ale o zvláštním způsobu zapínání. Režim je zde zcela normální – blízko hraničního stavu mezi aktivním režimem a saturací. Lze jej získat nejen zkratováním základny s kolektorem. V tomto konkrétním případě je celý trik v tom, že při tomto způsobu zapínání, ať už měníme napájecí napětí nebo zátěž, tranzistor stále zůstane v tomto velmi hraničním režimu. To znamená, že tranzistor v tomto případě bude ekvivalentní diodě.

Takže to je zatím s teorií vše. Jdeme dál.

Bipolární tranzistor je řízen proudem. Čili, aby mezi kolektorem a emitorem protékal proud (jinými slovy, aby se tranzistor otevřel), musí proud protékat mezi emitorem a bází (nebo mezi kolektorem a bází – pro inverzní režim). Navíc velikost proudu báze a maximální možný proud kolektorem (při takovém proudu báze) souvisí konstantním koeficientem β (součinitel přenosu základního proudu): I_Б*β=I_K.

Kromě parametru β se používá další koeficient: koeficient přenosu proudu emitoru (α). Rovná se poměru kolektorového proudu k proudu emitoru: α=Iк/Iэ. Hodnota tohoto koeficientu se obvykle blíží jedné (čím blíže jedné, tím lépe). Koeficienty α a β spolu souvisí následujícím vztahem: β=α/(1-α).

V tuzemských příručkách se často uvádí koeficient h místo koeficientu β_21E (proudový zisk v obvodu se společným emitorem), v zahraniční literatuře někdy místo β najdete h_FE. Žádný problém, obvykle můžete předpokládat, že všechny tyto koeficienty jsou stejné a často se jim jednoduše říká „zisk tranzistoru“.

Co nám to dává a proč to potřebujeme? Obrázek vlevo ukazuje nejjednodušší obvody. Jsou ekvivalentní, ale jsou postaveny pomocí tranzistorů různých vodivostí. Dále jsou přítomny: zátěž ve formě žárovky, proměnný rezistor a pevný rezistor.

Podívejme se na schéma vlevo. co se tam děje? Představme si, že jezdec proměnného rezistoru je v horní poloze. V tomto případě je napětí na bázi tranzistoru rovno napětí na emitoru, proud báze je nulový, proto je kolektorový proud také nulový (I_К=β*I_Б) – tranzistor je uzavřen, lampa nesvítí. Začneme posouvat posuvník dolů
— napětí na něm začne klesat níže než na emitoru — z emitoru do báze se objeví proud (základní proud) a současně — proud z emitoru do kolektoru (tranzistor se začne otevírat). Lampa začne svítit, ale ne na plnou intenzitu. Čím níže posuneme jezdec proměnného odporu, tím jasněji bude lampa hořet.

A tady, pozor! Začneme-li jezdcem proměnného odporu pohybovat nahoru, tranzistor se začne zavírat a proudy z emitoru do báze a z emitoru do kolektoru začnou klesat. Na pravém schématu je vše stejné, jen s tranzistorem jiné vodivosti.

Uvažovaný režim činnosti tranzistoru je přesně aktivní. Jaký to má smysl? Proud řídí proud? Přesně tak, ale trik je v tom, že koeficient β lze měřit v desítkách a
dokonce stovky. To znamená, že abychom výrazně změnili proud tekoucí z emitoru do kolektoru, potřebujeme pouze mírně změnit proud tekoucí z emitoru do báze.

V aktivním režimu je tranzistor (s příslušným páskem) použit jako zesilovač.

Jsme unavení. pojďme si trochu odpočinout.

Nyní se podívejme, jak funguje tranzistor jako spínač. Podívejme se na schéma vlevo. Přepínač S necháme sepnutý v poloze 1. V tomto případě je báze tranzistoru přitažena na kladné napájecí napětí přes rezistor R, takže mezi emitorem a bází neprotéká proud a tranzistor je uzavřen. Představme si, že jsme posunuli přepínač S do polohy 2. Napětí na bázi se sníží než na emitoru a mezi emitorem a bází se objeví proud (jeho hodnota je určena odporem R). Proud KE vzniká okamžitě. Tranzistor se otevře a lampa se rozsvítí. Pokud opět vrátíme přepínač S do polohy 1, tranzistor se sepne a lampa zhasne. (na obrázku vpravo je vše stejné, jen tranzistor má jinou vodivost)

V tomto případě se říká, že tranzistor funguje jako spínač. Jaký to má smysl? Tranzistor přepíná mezi dvěma stavy – otevřený a zavřený. Obvykle se při použití tranzistoru jako spínače snaží zajistit, aby byl tranzistor v otevřeném stavu blízko saturace (v tomto případě je úbytek napětí mezi kolektorem a emitorem a tím i ztráty na tranzistoru minimální). K tomu je speciálně vypočítán omezovací odpor v základním obvodu. Stavům hlubokého nasycení a hlubokého oříznutí se obvykle vyhneme, protože prodlužují dobu, kterou trvá přepnutí přepínače z jednoho stavu do druhého.

Malá ukázka výpočtů. Představme si, že ovládáme 12V, 50mA žárovku přes tranzistor. Náš tranzistor funguje jako spínač, takže když je otevřený, měl by být blízko saturace. Nebudeme brát v úvahu úbytek napětí mezi kolektorem a emitorem, jelikož pro režim saturace je řádově menší než napájecí napětí. Vzhledem k tomu, že proud procházející lampou je 50 mA, musíme zvolit tranzistor s maximálním proudem alespoň 62,5 mA (obvykle se doporučuje použít součástky na 75 % jejich maximálních parametrů, jde o jakousi rezervu). Otevřeme referenční knihu a hledáme vhodný pnp tranzistor. Například KT361. V našem případě jsou pro proud vhodné písmenné indexy „a, b, c, d“, protože jejich maximální napětí KE je 20V a v našem problému je to pouze 12V.

Předpokládejme, že použijeme KT361A, s faktorem zesílení od 20 do 90. Protože potřebujeme, aby bylo zaručeno úplné otevření tranzistoru, použijeme ve výpočtu minimum Kus=20. Teď se zamysleme. Jaký je minimální proud, který musí protékat mezi emitorem a základnou, aby byl zajištěn proud 50 mA přes CE?

50 mA/ 20krát = 2,5 mA

Jaká hodnota odporu omezujícího proud by měla být instalována, aby umožnil průchod proudu 2,5 mA přes BE?

Všechno je zde jednoduché. Ohmův zákon: I=U/R. Proto R = (12 V napájení – 0,65 V ztráty na p-n přechodu BE) / 0,0025 A = 4540 Ohm. Protože 2,5 mA je minimální proud, který by v našem případě měl téci z emitoru do báze, musíme ze standardní řady vybrat nejbližší rezistor s nejnižším odporem. Například s 5% odchylkou by to byl odpor 4,3 kOhm.

Nyní o proudu. Pro rozsvícení lampy o jmenovitém proudu 50 mA potřebujeme spínat proud pouze 2,5 mA. A to je použití levného tranzistoru pro spotřebitele s nízkým ziskem, vyvinutého před 40 lety. Cítíte ten rozdíl? Jak moc lze snížit rozměry spínačů (a tedy i jejich cenu) použitím tranzistorů?

Vraťme se znovu k teorii.

Ve výše uvažovaných příkladech jsme použili pouze jedno ze schémat zapojení tranzistorů. Celkem podle toho, odkud posíláme řídící signál a odkud bereme výstupní signál (která elektroda je pro tyto signály společná), existují 3 hlavní obvody pro zapínání bipolárních tranzistorů (no, je to logické, ne? – tranzistor má 3 vývody, takže pokud obvody rozdělíme podle principu, že jedna z vývodů je společná, pak mohou být celkem 3 obvody):

1) Obvod společného emitoru.

Pokud uvážíme, že vstupní proud je základní proud, vstupní napětí je napětí na BE přechodu, výstupní proud je kolektorový proud a výstupní napětí je napětí mezi kolektorem a emitorem, pak můžeme napsat, že: Iout/Iin=Ik/Ib=β, Rin=Ube/Ib.

Navíc, protože Uout=Epit-Ik*R, je jasné, že za prvé, výstupní napětí může být snadno mnohem vyšší než vstupní napětí, a za druhé, že výstupní napětí je invertováno ve vztahu ke vstupnímu napětí (když Ube=Uin roste a vstupní proud roste, výstupní proud také roste, ale Uke=Uout klesá).

Tento typ schématu zapojení (pro stručnost je označen jako OE) je nejběžnější, protože umožňuje zesílení proudu i napětí, to znamená, že umožňuje maximální zisk výkonu. Dovolím si poznamenat, že tento dodatečný výkon zesíleného signálu není odebírán ze vzduchu ani ze samotného tranzistoru, ale ze zdroje (Esup), bez kterého nebude tranzistor schopen nic zesílit a ve výstupním obvodu nebude vůbec žádný proud. (Myslím, že o tom, jak přesně tranzistorové zesilovače fungují a jak je vypočítat, napíšeme podrobněji později, v samostatném článku).

2) Společné základní schéma.

Zde je vstupním proudem proud emitoru, vstupním napětím je napětí na přechodu BE, výstupním proudem je proud kolektoru a výstupní napětí je napětí na zátěži zahrnuté v obvodu kolektoru. Pro tento obvod: Iout≈Iin, protože Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Tento obvod (OB) zesiluje pouze napětí a nezesiluje proud. V tomto případě signál není fázově posunut.

3) Společný kolektorový okruh (sledovník emitoru).

Zde je vstupním proudem základní proud a vstupní napětí je připojeno ke spoji tranzistoru BE a zátěži, výstupní proud je proud emitoru a výstupní napětí je napětí na zátěži zahrnuté v obvodu emitoru. Pro tento obvod: Iout/Iin=Ie/Ib=(I_К+I_Б)/I_Б=β+1, protože obvykle je koeficient β dostatečně velký, pak někdy uvažujeme Iout/Iin≈β. Rin = Ube/Ib + R. Uout/Uin=(Ube+Uout)/Uout≈1.

Jak vidíme, takový obvod (OK) zesiluje proud a nezesiluje napětí. V tomto případě signál není fázově posunut. Navíc má tento obvod nejvyšší vstupní impedanci.

Oranžové šipky ve výše uvedených diagramech znázorňují cesty toku proudu vytvořené zdrojem napájení výstupního obvodu (Epit) a samotným vstupním signálem (Uin). Jak vidíte, v obvodu s OB proud vytvořený Efeetem teče nejen přes tranzistor, ale také přes zdroj zesíleného signálu a v obvodu s OK naopak proud vytvořený vstupním signálem teče nejen přes tranzistor, ale také přes zátěž (pomocí těchto znaků můžete snadno rozlišit jeden spojovací obvod od druhého).

Nakonec si promluvme o tom, jak zkontrolovat funkčnost bipolárního tranzistoru. Ve většině případů může být zdraví tranzistoru posuzováno podle stavu pn přechodů. Uvažujeme-li tyto pn přechody nezávisle na sobě, pak lze tranzistor znázornit jako kombinaci dvou diod (jako na obrázku vlevo). Obecně platí, že vzájemné ovlivnění pn-přechodů dělá z tranzistoru tranzistor, ale při testování můžete tento vzájemný vliv ignorovat, protože na svorky tranzistoru přivádíme napětí ve dvojicích (na dvě svorky ze tří). V souladu s tím mohou být tyto pn-přechody kontrolovány běžným multimetrem v režimu testu diod. Při připojení červené sondy (+) k diodové katodě a černé k anodě dojde k uzavření pn přechodu (multimetr ukazuje nekonečný odpor), pokud sondy prohodíte, bude pn přechod otevřený (multimetr ukazuje úbytek napětí na otevřeném pn přechodu, obvykle 0,6-0,8 V). Při připojení sond mezi kolektor a emitor bude multimetr vykazovat nekonečně vysoký odpor, bez ohledu na to, která sonda je připojena ke kolektoru a která k emitoru.

Líbil se vám článek? Sdílej se svými přáteli!

Struktura bipolárního tranzistoru: emitor, báze, kolektor

Bipolární tranzistor je polovodičové zařízení se třemi oblastmi nazývanými emitor, báze a kolektor. Každá z těchto oblastí má svou jedinečnou funkci.

1. Vysílač:
   je oblast, ze které vycházejí nosiče náboje do základní oblasti. Zajišťuje vstup nebo výstup nosičů náboje do tranzistoru. Zářič je obvykle silně dopován, aby poskytoval vysokou koncentraci nosiče.
2. Základna:
   je oblast mezi emitorem a kolektorem. Jeho funkcí je řídit proud mezi emitorem a kolektorem. Změnou proudu báze lze řídit proud mezi emitorem a kolektorem. Základna má ve srovnání s ostatními oblastmi velmi malou šířku a poskytuje proporcionální zvýšení nebo snížení kolektorového proudu.
3. Kolektor:
   je oblast bipolárního tranzistoru, která přijímá většinu nosičů náboje opouštějících emitor. Kolektor má typicky velkou plochu a je silně dopován, aby účinně sbíral velké množství nosičů náboje.

Princip činnosti bipolárních tranzistorů: zesílení signálu, provozní režimy

Princip činnosti bipolárních tranzistorů je založen na řízení proudu mezi emitorem a kolektorem pomocí proudu báze. Bipolární tranzistory mohou pracovat ve 2 hlavních režimech: aktivní a saturované.

1. Aktivní:
   V aktivním režimu slouží bipolární tranzistor k zesílení signálu. Základní proud řídí kolektorový proud, čímž zesiluje vstupní signál. V tomto režimu je tranzistor v oblasti lineárního provozu, kde je změna proudu báze úměrná změně proudu kolektoru.
2. Nasycený:
   V nasyceném režimu funguje bipolární tranzistor jako spínač. Zde je tranzistor ve stavu nasycení, kdy zcela vede proud mezi emitorem a kolektorem. To umožňuje použití tranzistoru ke spínání signálů a vytvoření nízkého odporu podél proudové cesty.

Aplikace bipolárních tranzistorů v zesilovačích, spínacích obvodech, stabilizátorech

Bipolární tranzistory jsou široce používány v různých oblastech elektroniky:

1. Zesilovač:
   používá se v zesilovačích k zesílení slabých signálů. Umožňují zesílit analogové signály na požadovanou úroveň pro přenos informací nebo ovládání jiných zařízení.
2. Schémata spínání:
   používá se ve spínacích obvodech ke spínání nebo řízení proudů a napětí v elektrických obvodech. Mají vysokou rychlost přepínání a mohou efektivně vykonávat funkci přepínání signálu.
3. Stabilizátory:
   lze použít ve stabilizátorech pro udržení stabilního výstupního napětí nebo proudu navzdory změnám zátěže nebo napájení. Mohou být součástí zařízení pro stabilizaci napětí, například v napájecích zdrojích pro počítače, lékařská zařízení, rádiová zařízení a další zařízení.

Technické vlastnosti bipolárních tranzistorů: kolektorový proud, průrazné napětí, zesílení

Bipolární tranzistory mají různé technické specifikace, které popisují jejich činnost a možnosti. Některé z hlavních charakteristik bipolárních tranzistorů zahrnují:

1. Kolektorový proud (Ic)
2. Průrazné napětí (VCEO)
3. Aktuální zisk (nebo hfe)
4. Ztráta výkonu (Pd)
5. Saturační napětí (VCEsat)
6. Spínací čas (tf, tr)

Příklady použití bipolárních tranzistorů v moderních zařízeních

Bipolární tranzistory jsou široce používány v moderních zařízeních kvůli jejich jedinečným vlastnostem a schopnostem. Zde je několik příkladů jejich použití:

1. Zesilovače zvuku:
   používá se v audio zesilovačích k zesílení signálu z mikrofonu nebo jiných zdrojů zvuku na úroveň nezbytnou pro přenos do reproduktorů nebo sluchátek. To vám umožní získat vysoce kvalitní zvuk a silný zvuk.
2. Spínané zdroje:
   ve spínaných zdrojích se bipolární tranzistory používají ke spínání signálů při přeměně elektrické energie ze stejnosměrného proudu na střídavý a naopak. To pomáhá zajistit stabilní napájení různých zařízení.
3. Ovladače LED:
   Bipolární tranzistory se používají v ovladačích LED k ovládání jasu světla. Umožňují efektivně regulovat proud tekoucí do LED, poskytují optimální osvětlení a zvyšují životnost LED.
4. Rádiové vysílače:
   používá se v rádiových vysílačích k zesílení a přenosu rádiových signálů. Poskytují vysoký výkon a kvalitu signálu, což je zvláště důležité v moderních komunikačních systémech.
5. Automobilová zařízení:
   V automobilovém průmyslu se bipolární tranzistory používají v různých zařízeních, jako jsou systémy řízení motoru, vnitřní elektronika, bezpečnostní systémy a další. Zajišťují stabilní provoz elektroniky vozidla a zvyšují jeho energetickou účinnost.

Perspektivy vývoje bipolárních tranzistorů a jejich role v budoucích technologiích

Bipolární tranzistory mají v moderní elektronice nesporné postavení a jejich vývojové vyhlídky do budoucna slibují být zajímavé.

• Nové materiály a technologie
• Nanotechnologie
• Integrace s dalšími technologiemi
• Energetická účinnost a šetrnost k životnímu prostředí