Spis treści:
- 1 Tranzistor - princip činnosti
- 2 Konstrukce bipolárního tranzistoru
- 3 Princip činnosti bipolárního tranzistoru
- 4 Pracovní stavy bipolárního tranzistoru
- 5 Symbol bipolárního tranzistoru
- 6 Polarita bipolárního tranzistoru - co to je, a pak: z které strany pracuje?
- 7 Co dělá tranzistor PNP?
- 8 Tranzistory - poradenství, praxe
- 9 Tranzistorový klíč
- 10 Darlingtonův obvod
- 11 Použití tranzistorů
- 12 Bipolární tranzistory – nejčastější dotazy
Jen málokterý elektronik si dnes vzpomene na dobu, kdy byl jednoduchý bipolární tranzistor drahým zbožím a elektronice – ať už šlo o audio, řídicí, lékařské nebo měřicí přístroje – vládly nedělitelně elektronky.
Po vynálezu a zpopularizování bipolárního tranzistoru začal obrovský technologický skok s dalekosáhlými důsledky. Brzy poté, co se v elektronice “prosadily” diskrétní (jednoduché) tranzistory, došlo k rozšíření stále složitějších tranzistorů. integrovaných obvodů. Všechny obsahovaly ve své struktuře především tranzistory.
Jak vypadá tranzistor? Je vyroben jako jedna křemíková destička, která je řádně vyleptána složitým technologickým procesem. Ten se odehrává v místnostech, jejichž čistota nemá v jiných technologických oborech obdoby. Tak tomu zůstalo dodnes – i když tyto součástky už dávno ustoupily tranzistorům s polem, které jsou v mnoha ohledech lepší (hlavně v oblasti MOSFET), staré dobré bipolární tranzistory jsou stále silné. Právě jim jsme věnovali tento článek. Pokud s elektronikou teprve začínáte, dozvíte se zde, jak tranzistor funguje (jinými slovy: co dělá), k čemu se používá a jak ho zapojit v různých aplikacích.
Pokud vás zajímají unipolární tranzistory, podívejte se pod obrázky níže.
Kdybychom měli definovat funkci a účel bipolárního tranzistoru jednou stručnou větou, znělo by to takto:
“Bipolární tranzistor je tříkoncový polovodičový prvek schopný zesilovat proud.”
Co to ale znamená, že součástka (nebo obvod) zesiluje signál? Tato věta by neměla být chápána tak, že náš tranzistor nějakým zázračným způsobem “přidává” energii a generuje například jeden ampér výstupního proudu při dodávce nižšího proudu.
Tranzistor - princip činnosti
Pravda je jiná: tranzistor “propouští” větší proud (ze zdroje), když je řízen mnohem menším proudem. To umožňuje ovládat zátěž (např. akční člen – relé, motor, elektromagnetžárovku nebo LED diodu LED) pomocí malého proudu přiváděného např. portem v elektroměru. portu mikrokontroléru. Pomocí některých obvodových triků je možné postavit velmi slušný zvukový předzesilovač nebo dokonce… solidní výkonový zesilovač pomocí bipolárního tranzistoru.
Než však přejdeme k popisu konkrétních aplikací, seznamme se s naším hlavním hrdinou trochu blíže. To se bude týkat jak jeho anatomie, tak i jeho schopností a… některých nevýhod, které se – navzdory rozvoji polovodičové technologie – bohužel nepodařilo odstranit.
Konstrukce bipolárního tranzistoru
Bipolární tranzistory obsahují ve svém pouzdře křemíkovou (dříve germaniovou) destičku, jejíž struktura byla během výrobního procesu upravena takzvaným “dopováním”, tj. změnou mikrostruktury základního materiálu tak, aby vznikly tři sousední oblasti s různými nosiči proudu. Struktura byla ve výrobním procesu modifikována tzv. dopováním, tj. změnou mikrostruktury základního materiálu tak, aby vznikly tři sousední oblasti, které se liší typem proudových nosičů. Pokud mají dvě krajní oblasti přebytek elektronů (tj. záporných nábojů) a centrální oblast přebytek tzv. děr (tj. záporných nábojů), pak budou mít obě krajní oblasti přebytek elektronů (tj. záporných nábojů). “Pokud mají dvě krajní oblasti přebytek elektronů (záporných nábojů) a střední oblast má přebytek tzv. děr (kladných nábojů), hovoříme o tranzistoru NPN.
Jinak máme co do činění s tranzistorem PNP, který se od svého předchůdce liší tím, že všechny proudy, které jím protékají, a napětí na svorkách tranzistoru směřují přesně proti sobě. Strukturu tranzistoru si můžeme představit jako sendvič, v němž máme mezi dvěma plátky chleba tenký plátek šunky nebo sýra. Podívejme se na následující schéma, které nám o tranzistorech prozradí mnohé ještě dříve, než se dozvíme nejdůležitější vlastnosti a parametry.
Taková triviální analogie dává smysl – centrální oblast ve struktuře bipolárního tranzistoru je ve skutečnosti velmi tenká ve srovnání s oběma oblastmi kolem ní. Centrální oblast připojená k vývodu tranzistoru je báze, zatímco dvě okolní oblasti jsou emitor a kolektor. Mezi jednotlivými oblastmi (kolektor a báze a emitor a báze) jsou přechodové oblasti. Ty se nazývají přechody P-N a příliš se neliší od přechodů z běžných usměrňovacích diod. Proto lze tranzistor zjednodušeně modelovat pomocí dvou diod, které jsou navzájem spojeny anodami (v případě tranzistoru NPN) nebo katodami (PNP).
Funguje tento model? To si můžeme snadno ověřit změřením vodivostního napětí mezi příslušnými svorkami tranzistoru pomocí příslušné funkce (označené symbolem diody), kterou má k dispozici téměř každý digitální multimetr – v minulosti se k tomuto účelu úspěšně používal jednoduchý ohmmetr.
Princip činnosti bipolárního tranzistoru
Model diody – jakkoli správný z hlediska polarity jednotlivých svorek – však nevysvětluje, jak tranzistor ve skutečnosti funguje. Model diody – ačkoli je z hlediska polarity jednotlivých svorek správný – nevysvětluje, jak tranzistor ve skutečnosti funguje. Přestože ve skutečnosti je činnost tranzistoru (stejně jako polovodiče) založena na poměrně složitých a obtížných jevech tzv. fyziky pevných látek, popsaných soustavami matematických vzorců a rovnic, můžeme si dovolit věci poněkud zjednodušit. Předpokládejme, že tranzistor může být uzavřený (v takovém případě mezi jeho emitorem a kolektorem neprotéká prakticky žádný proud), nebo otevřený (proud protéká bez větších překážek). Abychom tranzistor otevřeli, je třeba polarizovat jeho přechod báze-emitor, tj. přivést na něj napětí potřebné k tomu, aby se tranzistor – byť jen částečně – otevřel. Jak je známo, u křemíkové diody je vodivé napětí (tj. napětí, které vzniká mezi anodou a katodou, když diodou protéká proud) v rozmezí 0,5 až 0,8V. Nejinak je tomu u bipolárních tranzistorů – i zde je mezi bází a emitorem v otevřeném stavu tranzistoru napětí přibližně 0,6 V. Je-li přechod báze-emitor správně polarizován, může obvodem kolektor-emitor protékat proud mnohonásobně větší než proud protékající přechodem báze-emitor.
Pracovní stavy bipolárního tranzistoru
Tranzistor může být ve čtyřech různých stavech.
Provozní stavy tranzistoru se používají pro různé aplikace.
- aktivní stav,
- stav nasycení,
- stav zablokování,
- inverzní stav.
Symbol bipolárního tranzistoru
Bipolární tranzistor má charakteristický a snadno zapamatovatelný symbol.
Důležité je, že symbol bipolárního tranzistoru vychází z modelu diody – šipka označující emitor má směr přechodu báze-emitor diody, takže si lze snadno zapamatovat, který symbol označuje kterou verzi tranzistoru.
Polarita bipolárního tranzistoru - co to je, a pak: z které strany pracuje?
Jak jsme se již zmínili, polarita bipolárního tranzistoru NPN se liší od tranzistorů PNP. Tato polarita bipolárního tranzistoru určuje směry proudů a napětí během provozu. Je vhodné si zapamatovat následující pravidla, která platí pro všechny komerčně dostupné bipolární tranzistory (včetně těch, které tvoří složité obvody starších integrovaných obvodů).
Otevření tranzistoru NPN vyžaduje, aby napětí na bázi bylo přibližně o 0,6 V vyšší než napětí na emitoru. Pokud je kolektorové napětí také vyšší než napětí emitoru, bude moci proud téct do kolektoru a ven přes emitor.
Co dělá tranzistor PNP?
U tranzistorů PNP je princip přesně opačný: otevření tranzistoru PNP vyžaduje, aby napětí na bázi bylo přibližně o 0,6 V nižší než napětí na emitoru. Pokud je napětí na kolektoru také nižší než napětí na emitoru, bude moci proud téct do emitoru a ven přes kolektor.
Bází bude samozřejmě protékat také malý proud, který se nazývá – jak jinak – proud báze. Ten však bude mnohonásobně menší než kolektorový proud a oba proudy se “setkají” na emitoru. Proto je za typických provozních podmínek emitorový proud vždy o něco větší (právě o hodnotu proudu báze) než proud kolektorový. Tím se dostáváme k prvnímu, velmi důležitému vzorci popisujícímu činnost bipolárního tranzistoru:
Ie = Ic + Ib
kde se následující označení vztahují k emitorovému, kolektorovému a bázovému proudu.
Již dříve jsme se zmínili, že hodnota kolektorového proudu je násobkem proudu báze. Tento násobek je určen jedním z nejdůležitějších parametrů, které charakterizují bipolární tranzistory: je to proudové zesílení tranzistoru, označované jako beta (β) nebo hFE. Tento činitel určuje poměr kolektorového proudu k proudu báze, který můžeme zapsat pomocí vzorce:
Ic = β Ib
nebo v transformované podobě:
β = Ic / Ib
Tranzistory - poradenství, praxe
Jak už to tak bývá, situace není tak jednoduchá, jak by se dalo usuzovat z jednoduchých vzorců. Je to proto, že proudové zesílení není konstantní parametr – a nejde jen o výrobní odchylku, která může být u tranzistorů stejného typu až několik set procent. Koneckonců tento parametr se mění také s teplotou a dokonce i s hodnotou kolektorového proudu – takže by bylo obtížné představit si, že bychom postavili zesilovač s rozumnými parametry pouze na základě činitele hFE.
Nedostatky bipolárních tranzistorů však lze naštěstí – pokud je to žádoucí – odstranit pomocí výše zmíněných obvodových triků. Proto je důležité používat tzv. zápornou zpětnou vazbu. Jedním z nich je použití tzv. záporné zpětné vazby, která spočívá v záměrném snižování hodnoty vstupního signálu při zvyšování signálu na výstupu. Jinými slovy, část signálu z výstupu je směrována na vstup takovým způsobem, že samotný signál slábne. To umožňuje obvodu, aby se sám “zabrzdil”, což vede k vynikající stabilizaci výsledného zesílení. Tento typ “triku” je základem tzv. bipolárních tranzistorových systémů. Právě tyto typy “triků” jsou základem tzv. bipolárních tranzistorových systémů, z nichž nejčastější jsou systémy se společným emitorem a společným kolektorem, zatímco systémy se společnou bází jsou mnohem vzácnější.
Tyto pojmy popisují, který konec tranzistoru je nějakým způsobem společný pro vstupní a výstupní obvody. Protože by však pojednání o tranzistorových obvodech vyžadovalo mnohem širší popis a uvedení některých dalších vzorců, nebudeme se jim v tomto krátkém článku věnovat – místo toho si ukážeme nejužitečnější – zejména pro začátečníky – a nejčastěji používané scénáře použití bipolárních tranzistorů, s nimiž se setkáváme v každodenní praxi.
Tranzistorový klíč
Jak jsme se zmínili na začátku článku, tranzistor může pracovat buď v uzavřeném stavu (kolektorem neprotéká žádný proud), nebo v otevřeném stavu (proud protéká “bez větších překážek”). Právě v těchto stavech pracují tranzistorové klíče. Tranzistor jako spínač, ovládaný malým proudem báze, umožňuje spínat velké (nebo dokonce obrovské) proudové zátěže, a to rychle a bez mechanického opotřebení kontaktů (což je případ relé a klasických spínačů). Podle potřeby lze jako spínač použít tranzistory NPN i PNP – oba případy jsou znázorněny na obrázku.
Je důležité si uvědomit, že tranzistor NPN pracuje nejlépe jako nízkofrekvenční spínací klíč, což znamená, že emitor je připojen k zemi a zátěž je připojena mezi kolektor a napájecí napětí. Toto uspořádání nabízí další výhodu v podobě možnosti ovládání zátěže napájené napětím, které je několikanásobně vyšší než napájecí napětí Arduina nebo jiného obvodu ovládajícího bázi tranzistoru. Přivedením kladného napětí na bázi tranzistoru (přes rezistor omezující proud, tzv. rezistor báze – RB) se tranzistor zapne, zatímco při nízkém stavu se vypne, čímž se zátěž odpojí od napájení. Proud báze je v tomto případě:
Ib = (Uwe-Ube)/Rb
Hodnotu rezistoru je vhodné volit tak, aby při minimálním zesílení tranzistoru pracoval i nadále ve stavu nasycení – to znamená, že dalším zvyšováním proudu bází se již nezvyšuje proud kolektorem. Vhodné hodnoty lze vyčíst z charakteristik tranzistorů, které dávají k dispozici výrobci – příklad je uveden na schématu 1 v souboru: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/BC546.pdf .
Například pokud je třeba tranzistorem BC546 zapnout zátěž, která odebírá (při napájecím napětí 12 V) proud řádu 50 mA, měl by být proud báze alespoň 250 uA – pak bude tranzistor v nasyceném stavu. Pokud je tranzistor řízen přes port mikrokontroléru AVR (vysoký stav rovný 5 V), bude hodnota odporu:
Rb = (Uwe-Ube) / Ib = (5 V – 0,6 V) / 250 uA = 17,6 kΩ
Vyplatí se však přijmout nižší hodnotu – abychom měli jistotu, že bez ohledu na kolísání zesílení bude náš tranzistor vždy pracovat v nasyceném stavu. V tomto případě by měla být hodnota v řádu 10 kΩ dostatečná i při nejnižších hodnotách zesílení (u verze BC546A může proudové zesílení klesnout až na 110 A/A). Často se přijímají i hodnoty ještě nižší – např. několik kiloohmů, ale vždy je třeba dbát na to, aby nebyl překročen proud báze, protože by mohlo dojít k poškození (přepálení) tranzistoru. U středně výkonných a výkonných tranzistorů (s kolektorovými proudy 1 A a více) jsou proudové zisky mnohem nižší (často o dost menší než 100 A/A), takže proud báze musí nabývat odpovídajícím způsobem vyšších hodnot.
Tranzistor PNP funguje dokonale jako spínač a ovládá zátěž “shora”, tj. Tranzistor PNP funguje ideálně jako spínač na vysoké straně, který ovládá zátěž “shora”, tj. z kladné strany napájecího napětí (spínač na vysoké straně). Je však třeba mít na paměti, že toto zapojení by se mělo používat pouze v situacích, kdy jsou řídicí napětí ve vysokém stavu a napájecí napětí zátěže přibližně stejné – pokud je totiž emitor tranzistoru připojen např. na 12 V a báze na výstup mikrokontroléru napájeného 5 V, pak – bez ohledu na logický stav na výstupu řídicí báze – bude potenciál báze vždy nižší než potenciál emitoru. Tranzistor tedy bude trvale sepnutý, takže očekávaného spínacího efektu v této situaci nelze dosáhnout.
Darlingtonův obvod
Pokud potřebujete řídit velkou zátěž a není možné dodat dostatečně vysoký bázový proud středně výkonnému nebo výkonnému tranzistoru, stojí za zvážení zajímavé, i když velmi jednoduché Darlingtonovo zapojení.
Jak je vidět na tomto chytrém zapojení, emitor jednoho tranzistoru ovládá bázi druhého – ten je nejběžnějším výkonovým tranzistorem. Takové zapojení poskytuje zajímavou vlastnost – jeho výsledné proudové zesílení je součinem zesílení jednotlivých tranzistorů v něm použitých. Všimněte si, že napětí báze-emitoru takové “sestavy” je také vyšší než napětí jednoho tranzistoru a je přesně rovno součtu napětí UBE obou tranzistorů. Za předpokladu, že “první”, řídicí tranzistor je bipolární tranzistor s malým výkonem (např. BC546 s UBE přibližně 0,6 V) a druhý je tranzistor se středním výkonem (např. BD139 s UBE do 1 V), bude výsledné napětí báze-emitor přibližně 1,6 V – to se vyplatí vědět, abyste nebyli po sestavení a uvedení tohoto užitečného obvodu do provozu překvapeni.
Použití tranzistorů
V tomto krátkém popisu jsme uvedli pouze základní aplikace bipolárních tranzistorů jako spínačů. To je však pouze začátek, protože – při volbě vhodných pracovních obvodů a hodnot vnějších součástek – lze v obvodech s úspěchem použít i tranzistory NPN a PNP:
- lineárních zesilovačů (pro tento účel se používá tzv. lineární pracovní oblast, která se nachází mezi stavem nasycení a plně uzavřeným stavem),
- bistabilní klopné obvody (obvody schopné zachycovat a ukládat změny na vstupech), monostabilní klopné obvody (tj. obvody generující impulsy o nastavené délce po jediném krátkém vstupním buzení) a astabilní klopné obvody (tj. generátory, samočinně přepínající výstupy s určitou frekvencí),
- diferenciální zesilovače – zesilují rozdíl dvou napětí přivedených na samostatné vstupy obvodu,
- modulátory, demodulátory a aktivní filtry – systémy, které se používají v radiotechnice a při zpracování analogových signálů.
Stojí za zmínku, že moderní elektronika stále zřídkakdy používá jednotlivé tranzistory ve výše uvedených rolích – protože dnes máme k dispozici specializované digitální obvody, operační, měřicí a diferenciální zesilovače, stejně jako nejrůznější funkční bloky připravené k použití v navrhovaných zařízeních. Takže už víte, k čemu se tranzistor používá. Znalost základů polovodičové techniky je však nezbytná – už jen proto, abychom dokázali pochopit a správně použít mnohem složitější obvody. I ty se skládají ze stovek, tisíců nebo dokonce milionů tranzistorů …
Viz . další články z kategorie Elektronika na blogu Botland!
