Jak tranzistor funguje: co dělá, kde se používá, provozní režimy bipolárního tranzistoru

Elektronika nás obklopuje všude. Téměř nikdo se ale nezamýšlí nad tím, jak to celé funguje. Je to vlastně docela jednoduché. Přesně to se dnes pokusíme ukázat. Začněme tak důležitým prvkem, jakým je tranzistor. Řekneme vám, co to je, co dělá a jak tranzistor funguje.

Co je to tranzistor?

Tranzistor – polovodičové zařízení určené k řízení elektrického proudu.

Kde se používají tranzistory? Ano všude! Téměř žádný moderní elektrický obvod se neobejde bez tranzistorů. Jsou široce používány při výrobě výpočetní techniky, audio a video zařízení.

Časy, kdy Sovětské mikroobvody byly největší na světě, prošly a velikost moderních tranzistorů je velmi malá. Nejmenší zařízení tedy dosahují velikosti řádově nanometrů!

Předpona nano- označuje hodnotu řádově od deseti do mínus deváté mocniny.

Existují však i obří exempláře, které se používají především v oblastech energetiky a průmyslu.

Existují různé typy tranzistorů: bipolární a polární, přímé a reverzní vedení. Provoz těchto zařízení je však založen na stejném principu. Tranzistor je polovodičová součástka. Jak je známo, v polovodiči jsou nosiče náboje elektrony nebo díry.

Oblast s přebytečnými elektrony je označena písmenem n (negativní) a oblast s vodivostí otvoru je p (pozitivní).

Jak funguje tranzistor?

Aby bylo vše velmi jasné, podívejme se na práci bipolární tranzistor (nejoblíbenější typ).

Bipolární tranzistor (dále jen tranzistor) je polovodičový krystal (nejčastěji používaný křemík nebo germanium), rozdělené do tří zón s různou elektrickou vodivostí. Podle toho jsou zóny pojmenovány kolektor, báze и emitor. Zařízení tranzistoru a jeho schematické znázornění je znázorněno na obrázku níže

Oddělené tranzistory s dopředným a zpětným vedením. Tranzistory PNP se nazývají tranzistory s dopředným vedením a tranzistory NPN se nazývají tranzistory se zpětným vedením.

Nyní si povíme o dvou provozních režimech tranzistorů. Provoz samotného tranzistoru je podobný provozu vodovodního kohoutku nebo ventilu. Jen místo vody je tam elektrický proud. Existují dva možné stavy tranzistoru – provozní (tranzistor otevřený) a klidový stav (tranzistor uzavřen).

co to znamená? Když je tranzistor vypnutý, neprotéká jím žádný proud. V otevřeném stavu, kdy je do báze přiveden malý řídicí proud, se tranzistor otevře a emitorem-kolektorem začne protékat velký proud.

Fyzikální procesy v tranzistoru

A nyní více o tom, proč se vše děje tímto způsobem, tedy proč se tranzistor otevírá a zavírá. Vezměme si bipolární tranzistor. Nech to být npn tranzistor.

Pokud připojíte zdroj energie mezi kolektor a emitor, elektrony z kolektoru se začnou přitahovat ke kladnému pólu, ale mezi kolektorem a emitorem nebude proud. Tomu brání základní vrstva a samotná vrstva emitoru.

Pokud mezi základnu a emitor připojíte další zdroj, začnou elektrony z oblasti n emitoru pronikat do oblasti báze. V důsledku toho bude oblast báze obohacena o volné elektrony, z nichž některé se rekombinují s dírami, některé budou proudit do plusu báze a některé (většina) půjdou do kolektoru.

Tranzistor se tedy ukáže jako otevřený a protéká v něm proud emitor-kolektor. Pokud se základní napětí zvýší, zvýší se také proud kolektor-emitor. Navíc při malé změně řídicího napětí je pozorováno výrazné zvýšení proudu kolektorem-emitorem. Právě na tomto efektu je založen provoz tranzistorů v zesilovačích.

To je v kostce podstata fungování tranzistorů. Potřebujete spočítat výkonový zesilovač pomocí bipolárních tranzistorů přes noc, nebo provést laboratorní práce pro studium činnosti tranzistoru? To není problém ani pro začátečníka, pokud využijete pomoci našich specialistů studentského servisu.

V důležitých věcech, jako je studium, neváhejte vyhledat odbornou pomoc! A teď, když už máte představu o tranzistorech, doporučujeme vám odpočinout si a podívat se na video od Korna „Twisted tranzistor“! Rozhodnete se například pro zakoupení protokolu z praxe, obraťte se na Korespondenta.

Pomůžeme vám projít se skvělými výsledky a bez opakování.

• Kontrolní práce od 1 dne / od 120 rublů. Zjistěte cenu
• Práce od 7 dnů / od 9540 rublů Zjistěte cenu
• Kurz od 5 dnů / od 2160 rublů. Zjistěte cenu
• Abstrakt od 1 dne / od 840 rublů Zjistěte cenu

Ivan Kolobkov, také známý jako Joni. Marketér, analytik a copywriter ve společnosti Zaochnik. Mladý nadějný spisovatel. Má lásku k fyzice, vzácným věcem a dílu C. Bukowského.

Tranzistor je všudypřítomnou a důležitou součástí moderní mikroelektroniky. Jeho účel je jednoduchý: umožňuje ovládat mnohem silnější pomocí slabého signálu.

Zejména může být použit jako řízená „klapka“: nepřítomností signálu na „bráně“ blokovat tok proudu a jeho napájením jej povolit. Jinými slovy: jedná se o tlačítko, které se nestiskne prstem, ale přivedením napětí. Toto je nejběžnější aplikace v digitální elektronice.

Tranzistory jsou k dispozici v různých baleních: stejný tranzistor může vypadat úplně jinak. Při prototypování jsou nejběžnější kryty:

TO-92 – kompaktní, pro lehké zatížení.
TO-220AB – masivní, dobrý odvod tepla, pro velké zatížení.

Označení na schématech se také liší v závislosti na typu tranzistoru a standardu označení použitého v kompilaci. Ale bez ohledu na variace zůstává jeho symbol rozpoznatelný.

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory (BJT, bipolární tranzistory) mají tři kontakty:

Kolektor – je do něj přiváděno vysoké napětí, které chcete ovládat.

Základna – přes ni se dodává malé množství proudodemknout velké; základna je uzemněna, aby ji blokovala.

Emitor – proud jím protéká z kolektoru a báze, když je tranzistor „otevřený“.

Hlavní charakteristikou bipolárního tranzistoru je indikátor h_fe, také známý jako zisk. Udává, kolikrát více proudu v sekci kolektor-emitor může tranzistor propustit v poměru k proudu báze-emitor.

Například pokud h_fe = 100 a bází prochází 0,1 mA, pak přes sebe tranzistor projde maximálně 10 mA. Pokud je v tomto případě součástka ve vysokoproudé sekci, která spotřebovává např. 8 mA, bude jí přiděleno 8 mA a tranzistor bude mít určitou „výšku“. Pokud existuje součástka, která odebírá 20 mA, bude poskytnuta pouze s maximálním proudem 10 mA.

Také dokumentace pro každý tranzistor uvádí maximální přípustná napětí a proudy na kontaktech. Překročení těchto hodnot vede k nadměrnému zahřívání a snížení životnosti a silné překročení může vést ke zničení.

NPN a PNP

Výše popsaný tranzistor je tzv. NPN tranzistor. Skládá se ze tří vrstev křemíku spojených v pořadí Negativní-Pozitivní-Negativní (NPN), kde negativní je slitina křemíku s přebytkem negativních nosičů náboje (n-dopovaná) a pozitivní je slitina křemíku s přebytkem kladné nosiče náboje (p-dopované).

NPN jsou efektivnější a běžnější v průmyslu.

Při označování PNP tranzistorů se liší ve směru šipky. Šipka vždy ukazuje od P do N. Tranzistory PNP mají „obrácené“ chování: proud není blokován, když je báze uzemněna, a blokována, když jí proud protéká.

Tranzistory s efektem pole

Tranzistory s efektem pole (FET, Field Effect Transistor) mají přesně stejný účel jako bipolární, liší se však svou vnitřní strukturou. Zvláštním typem těchto součástek jsou tranzistory MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Umožňují vám pracovat s mnohem větším výkonem při stejných rozměrech. A ovládání samotné „klapky“ se provádí výhradně pomocí napětí: hradlem tranzistorů s efektem pole na rozdíl od bipolárních neprotéká proud.

Tranzistory s efektem pole mají tři kontakty:

Drain – je do něj přiváděno vysoké napětí, které chcete ovládat.

Hradlo – je na něj přivedeno napětí, aby proud mohl protékat; brána je uzemněna, aby blokovala proud.

Zdroj – proud jím protéká z kolektoru, když je tranzistor „otevřený“.

N-kanál a P-kanál

Analogicky s bipolárními tranzistory se polní tranzistory liší polaritou. N-kanálový tranzistor byl popsán výše. Jsou nejčastější.

P-kanál, když je označen, se liší ve směru šipky a má opět „obrácené“ chování.

Připojení tranzistorů k buzení vysoce výkonných součástek

Typickým úkolem mikrokontroléru je zapínání a vypínání konkrétní součásti obvodu. Samotný mikrokontrolér má obvykle skromný výkon. Takže Arduino s výstupem 5 V na pin vydrží proud 40 mA. Výkonné motory nebo ultrasvítivé LED diody mohou čerpat stovky miliampérů. Při přímém připojení takových zátěží může čip rychle selhat. Některé součástky navíc vyžadují ke svému provozu napětí vyšší než 5 V, čehož výstupní piny Arduina (digitální výstupní pin) v podstatě nejsou schopny.

Ale snadno stačí k ovládání tranzistoru, který zase bude řídit velký proud. Řekněme, že potřebujeme připojit dlouhý LED pásek, který vyžaduje 12 V a spotřebuje 100 mA:

Nyní, když je výstup nastaven na logickou jedničku (vysoká), 5 V vstupujících do báze otevře tranzistor a páskou poteče proud – bude svítit. Nastavením výstupu na logickou nulu (nízká) dojde k uzemnění báze přes mikrokontrolér a zablokování toku proudu.

Dávejte pozor na odpor omezující proud R. Je nutné, aby při přiložení řídicího napětí nevznikl zkrat na trase mikrokontrolér-tranzistor-zem. Hlavní věcí není překročit přípustný proud přes pin Arduino 40 mA, takže musíte použít rezistor vypočítané hodnoty:

zde U_d – to je pokles napětí na samotném tranzistoru. Závisí na materiálu, ze kterého je vyroben, a je obvykle 0,3 – 0,6 V.

Ale absolutně není nutné udržovat proud na povolené hranici. Je pouze nutné, aby zesílení tranzistoru umožňovalo řídit požadovaný proud. V našem případě je to 100 mA. Řekněme pro použitý tranzistor h_fe = 100, pak nám bude stačit řídící proud 1 mA.

Vyhovuje nám rezistor s hodnotou od 118 Ohm do 4,7 kOhm. Pro stabilní provoz na jedné straně a malé zatížení čipu na straně druhé je 2,2 kOhm dobrou volbou.

Pokud místo bipolárního tranzistoru použijete tranzistor s efektem pole, můžete se obejít bez odporu:

To je způsobeno skutečností, že brána v takových tranzistorech je řízena výhradně napětím: v sekci mikrokontrolér-brána-zdroj není žádný proud. A díky svým vysokým charakteristikám vám obvod využívající MOSFET umožňuje řídit velmi výkonné komponenty.

Pokud není uvedeno jinak, obsah této wiki je licencován pod následující licencí: CC Attribution-Nonkomerční-Share Alike 4.0 International

Odvozená díla musí obsahovat odkaz na http://wiki.amperka.ru jako původní zdroj, bezprostředně před obsah práce.
Wiki běží na skvělém enginu DokuWiki.

obvod design/tranzistory.txt · Poslední změna: 2024. 07. 22 14:00 — mik

Nástroje stránky

• Zobrazit zdrojový text
• Historie stránky
• Odkazy zde
• nahoře