Kurs podstaw elektroniki cz. 3

W poprzedniej części poznaliśmy podstawowe elementy elektroniczne. Teraz zajmiemy się tranzystorami.

Tranzystor to w odróżnieniu od innych elementów elektronicznych, takich jak rezystor, kondensator czy cewka jest elementem aktywnym. Oznacza to, że jest zdolny do wzmacniania sygnału. Dzięki temu jest bardzo często stosowany i można go znaleźć w praktycznie każdym układzie elektronicznym. Dlatego warto poznać jego działanie i nauczyć się stosować go w własnych konstrukcjach.

Budowa tranzystora

Tranzystory bipolarne, którymi zajmiemy się w tym odcinku, to elementy posiadające trzy wyprowadzenia:

• Bazę
• Emiter
• Kolektor

W zależności od zastosowań, mogą mieć różny kształt i rozmiar. Zróżnicowanie jest ogromne, ponieważ istnieją tysiące różnych modeli, ale nie przejmuj się tym – w praktyce najczęściej używa się kilku(-nastu) najpopularniejszych. Standardowo stosowane uniwersalne tranzystory małej mocy to BC547 i BC557. Na fotografii 1 możesz zobaczyć kilka przykładowych tranzystorów.

Tranzystory zbudowane są z dwóch typów przewodnika – N i P. W zależności od ich wzajemnego ułożenia wyróżniamy dwa typy tranzystorów:

• NPN
• PNP

Różnią się one właściwie tylko kierunkami przepływu prądu, zasada działania jest taka sama. Większość tranzystorów NPN ma odpowiedniki PNP i odwrotnie. Na rysunku 2 pokazane są symbole schematyczne tranzystorów.

Działanie tranzystora

Działanie tranzystora chyba najłatwiej zrozumieć na przykładzie, poprzez analogię do pewnego urządzenia hydraulicznego, przedstawionego na rysunku 3:

Na górze urządzenia znajduje się wlot wody (“kolektor”) i pływak utrzymujący stały poziom cieczy w komorze. Gdy wzrasta pobór wody, pływak obniża się i tym samym do komory wpada jej więcej. Woda uzupełnia braki i podnosi pływak. Uniezależnia to działanie układu od ciśnienia panującego na wejściu.

Niżej znajduje się zasuwka otwierana przez przepływ wody przez “bazę”. Im jest on większy, tym bardziej odgina klapkę, która ciągnie zasuwkę. Jeśli przepływ osłabnie, zasuwa cofa się, ciągnięta przez sprężynę. “Emiterem” wydostaje się woda, która przedostała się przez zasuwę i woda płynąca przez “bazę”.

Jak się to ma do prawdziwego tranzystora? Tranzystor jest właśnie takim zaworem, sterowalnym źródłem prądu. Prąd bazy steruje prądem płynącym w obwodzie emiter-kolektor.

Tranzystor możne być w trzech stanach:

• Zatkania – prąd kolektora nie płynie
• Pracy liniowej – prądy płyną
• Nasycenia – tranzystor przewodzi w pełni, dalsze zwiększanie prądu bazy już nic nie daje

Zwykle w układach cyfrowych korzysta się tylko z stanów skrajnych – zatkania i nasycenia. Urządzenia analogowe korzystają z obszaru pracy liniowej.

Prądy w tranzystorze

Na rysunku 4 możesz zobaczyć kierunki prądów w tranzystorach NPN i PNP.

Prąd emitera jest równy sumie prądów kolektora i bazy:

I_E=I_C+I_B

Prąd płynący przez kolektor jest proporcjonalny do prądu bazy. Współczynnikiem proporcjonalności jest tutaj β (beta), oznaczająca wzmocnienie tranzystora. Poniższy wzór opisuje tą zależność:

I_C= β*I_B

Zwykłe tranzystory małej mocy mają wzmocnienie większe niż 100, bardzo często nawet kilkukrotnie. Nie jest ono stałe – dla poszczególnych tranzystorów, nawet tego samego typu przyjmuje trochę inną wartość. Poza tym, zmienia się wraz ze zmianą wartości prądu płynącego przez kolektor, temperatury i innych czynników. Dlatego nie warto wykonywać szczegółowych obliczeń i opierać działania układu na tym parametrze. Zwykle w układach wymagających dobrych parametrów, stosuje się sprzężenie zwrotne.

Prądy płynące w tranzystorze nie mogą być zbyt duże – przekroczenie pewnej granicy możne skutkować uszkodzeniem się tranzystora.  Informacje o ich wartościach (i nie tylko) można znaleźć w dokumentacji danego elementu. Ogólnie polecam tam często zaglądać, szczególnie w razie wątpliwości.

Aby zapobiec uszkodzeniu lub przegrzaniu tranzystora, stosuje się rezystor ograniczający prąd bazy. Jeśli wiemy jaki ma być prąd kolektora, to wystarczy z pomocą przekształconego, wyżej podanego wzoru obliczyć prąd bazy (I_B=I_C/β), a następnie skorzystać z prawa Ohma (R=U/I_B).

Na koniec

Podsumowując – poznaliśmy dosyć uproszczony model działania tranzystora, choć na początek w zupełności wystarczający. W następnej części kursu najprawdopodobniej omówimy kilka przykładowych zastosowań tranzystorów, później czas na inne elementy i bardziej skomplikowane układy elektroniczne. jak zwykle proszę o komentarze – pozytywne i negatywne. Przydadzą się też jakieś propozycje Jeśli coś jest niezrozumiałe, postaram się to poprawić. W przypadku problemów i pytań nie związanych z artykułem, proszę pisać na forum.

Linki:

• Tranzystor
• Tranzystor bipolarny
• Artykuły z Elektroniki dla Wszystkich (trzeba przewinąć)

Ćwiczenia:

1. Wymień dwa podstawowe typy tranzystorów bipolarnych.
2. Sprawdź w dokumentacji ułożenie wyprowadzeń (czyli bazy, emitera i kolektora) tranzystora o oznaczeniu BC547 w obudowie TO-92.
3. Po co stosujemy rezystor ograniczający prąd bazy?
4. Czy współczynnik wzmocnienia β jest wartością stałą i “pewną”?
5. Jaką rolę pewni baza?

Odpowiedzi:

1. NPN i PNP.
2. Patrząc od strony oznaczenia, od lewej kolejno: emiter, baza, kolektor.
3. Aby zmniejszyć prąd płynący przez kolektor, ponieważ zbyt duży prąd może uszkodzić tranzystor, a poza tym nie zawsze jest wymagany.
4. Nie, zmienia się w dosyć dużym zakresie.
5. Baza pełni rolę elektrody sterującej pracą tranzystora.