Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory jsou polovodičové součástky tvořené třemi polovodiči se dvěma přechody PN poskládané ve struktuře NPN nebo PNP.

Slouží k zesilování, regulaci, nebo ke spínání.

Princip činnosti tranzistoru NPN (tranzistorový jev)

Bez vnějších zdrojů se na obou přechodech vytvoří vyprázdněné oblasti.

Na kolektorový přechod B-C připojíme napětí v závěrném směru, čímž se zvětší vyprázdněná oblast na tomto přechodu, obvodem protéká jen nepatrný zbytkový proud tvořený vlastní vodivostí teplem uvolněných nosičů.

Na emitorový přechod B-E připojíme napětí v propustném směru s vyšší hodnotou než je difuzní napětí. Volné elektrony proudí z emitoru otevřeným přechodem do báze, odkud jsou odsávány do prostoru kolektoru a tvoří kolektorový proud, protože pro ně je tento přechod (na rozdíl od děr v bázi) otevřen. Jen malé množství těchto elektronů rekombinuje s děrami v bázi a tvoří bázový proud.

U tranzistoru PNP je funkce obdobná, jen se obrátí smysl napětí a do kolektoru jsou z báze místo elektronů odsávány díry, které do ní pronikají z emitoru otevřeným přechodem.

Značky tranzistorů


NPN

PNP

NPN

PNP

Značky bez kružnic jsou určeny pro schemata vnitřních zapojení integrovaných obvodů.

Tranzistor si můžeme představit jako dvě sériově zapojené diody.
Vývody tranzistoru jsou označeny Colector (kolektor) Báze a Emitor.

Funkční zapojení tranzistoru

Tranzistor je nutno zapojit tak, aby byly omezeny proudy do kolektoru a báze. Kolektorový odpor RC představuje zátěž a omezuje kolektorový proud IC při plně otevřeném tranzistoru. Bázový odpor nastavuje bázový proud IB, kterým se otvírá tranzistor a umožňuje téct kolektorovému proudu.
Bázový a kolektorový proud se sečtou a vytékají jako emitorový proud IE.

Zapojení tranzistoru

Protože tranzistor má tři vývody, lze ho z hlediska vstupu a výstupu do obvodu zapojovat obecně třemi způsoby.
Názvy zapojení vychází z principiálního zapojení ve kterém je jeden z vývodů použit společně jak pro vstup, tak i pro výstup.

Zapojení se společným emitorem SE

Principiální zapojení

Ze zdroje UBE (s hodnotou větší jak difuzní napětí) teče bázový proud IB otevřeným přechodem B-E. Zdroj UCE protlačuje přes oba přechody C-B-E kolektorový proud IC, který je mnohonásobně větší, než bázový proud.

Praktické zapojení

Je to nejčastěji používané zapojení, které má největší výkonové zesílení (desetitisíce). V katalogu se pro toto zapojení udává proudový zesilovací činitel h21E (běžné hodnoty 50-500), který určuje poměr kolektorového a bázového proudu:

Napěťové zesílení se pohybuje ve stovkách, ale zapojení otáčí fázi napětí (když vstupní napětí roste, výstupní klesá). Proudové zesílení je rovněž velké (ve stovkách), výstupní proud je ve fázi se vstupním.
Vstupní odpor je malý až střední (stovky Ω až jednotky kΩ), výstupní odpor je velký (desítky kΩ).
Zapojení se používá na běžné zesilovací stupně nebo jako spínač/regulátor.

Použití tranzistoru v zapojení SE

Změnami velmi malého bázového proudu lze regulovat mnohonásobně větší kolektorový proud a použít tak tranzistor jako zesilovač. Zapínáním a vypínáním malého proudu v bázi lze zapínat a vypínat mnohonásobně větší proud v kolektoru a použít tak tranzistor jako výkonový spínač.

Zjednodušeně můžeme říct, že tranzistor se mezi kolektorem a emitorem chová jako proměnný rezistor, jehož hodnota se dá regulovat proudem báze.

Simulace obvodu z tranzistorem jako děličem napětí

Tranzistor jako spínač

Pokud je spínač do báze rozepnut, tranzistor je zavřený a žárovkou neprotéká proud. Pokud sepneme spínač v bázi, přechod báze emitor se otevře, čímž způsobí i otevření přechodu kolektor báze a žárovka se rozsvítí. Odpor RB omezuje bázový proud, aby nedošlo ke zničení přechodu báze emitor překročením maximálního proudu.

Simulace obvodu s tranzistorem jako spínačem

Tranzistor jako regulátor

Potenciometrem v bázi můžeme plynule regulovat míru otevření přechodu kolektor báze velikostí bázového proudu a tak měnit jas žárovky. Odpor RB opět omezuje maximální proud bází.

Simulace obvodu s tranzistorem jako regulátorem

Tranzistor jako zesilovač

Kondenzátory na vstupu a výstupu oddělují stejnosměrné složky a propouští pouze střídavé signály.
Pomocí rezistorů R1, R2 a R3 se nastavuje tzv. pracovní bod tranzistoru (klidový proud kolektorem při nulovém vstupním signálu). Rezistor R4 stabilizuje nastavení pracovního bodu vůči teplotním změnám.

Malé změny bázového proudu vyvolávají velké změny kolektorového proudu a tím tranzistor zesiluje vstupní signál.

Simulace obvodu z tranzistorem jako zesilovačem

Vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru v zapojení SE


Vstupní charakteristika je prakticky stejná jako u diody v propustném směru.

Ve výstupní charakteristice lze vidět, že pro daný bázový proud při rostoucím napětí mezi kolektorem a emitorem kolektorový proud tranzistoru prudce roste až do stavu nasycení, pak se už téměř nemění. Tranzistor se chová jako ideální zdroj proudu.

Simulace obvodu demonstrujícího ideální zdroj proudu

Simulace obvodu zobrazujícího vstupní charakteristiku tranzistoru

Simulace obvodu zobrazujícího výstupní charakteristiku tranzistoru

Přenosová charakteristika tranzistoru v zapojení SE


s rostoucím proudem do báze se množství odsátých elektronů zvyšuje a roste proud v kolektoru.

Simulace obvodu zobrazujícího přenosovou charakteristiku tranzistoru

Zapojení se společnou bází SB

Principiální zapojení

Praktické zapojení
Napěťové zesílení je velké (jako u zapojení SE), výstupní signál je ale ve fázi se vstupním. Proudové zesílení je vždy menší než jedna. Vstupní odpor je velmi malý (desítky Ω), výstupní odpor je velmi velký (stovky kΩ až jednotky MΩ).
Zapojení se používá k snímání signálů zdrojů s malým vnitřním odporem (antény, termočlánky).

Simulace obvodu s tranzistorem v zapojení SB

Zapojení se společným kolektorem SC

Principiální zapojení

Praktické zapojení
Napěťové zesílení je vždy menší než jedna, výstupní napětí je ve fázi s napětím vstupním. Proudové zesílení je velké, výstupní proud je v protifázi oproti vstupnímu. Vstupní odpor je velmi velký (stovky kΩ až jednotky MΩ), výstupní odpor je malý (stovky Ω).
Zapojení se používá buď k snímání signálu ze zdrojů s velkým vnitřním odporem (např. krystalové přenosky) nebo k přizpůsobení výstupu zesilovače na malý zatěžovací odpor (např. na koaxiální kabel nebo reproduktor).

Simulace obvodu s tranzistorem v zapojení SC

Přehled vlastností jednotlivých zapojení

VeličinaSESBSC
Vstupní odpormalý až střednívelmi malývelmi velký
Výstupní odporvelkývelmi velkývelmi malý
Napěťové zesílenívelkévelmi velké< 1
Proudové zesílenívelké< 1velké
Výkonové zesílenívelkémalé až střednímalé až střední

Mezní hodnoty tranzistorů

Pro běžnou práci tranzistoru je třeba dodržovat výrobcem udané maximální hodnoty, aby nedošlo ke zničení jednotlivých přechodů vysokým napětím, vysokým proudem nebo vysokým ztrátovým výkonem. Jedná se především o PCmax, UCEmax, ICmax.

Podobně jako u diod se u vyšších frekvencí zpracovávaných signálů projevují parazitní jevy přechodů, proto se vyrábějí i speciální vysokofrekvenční tranzistory.

Pro řízení velkých proudů se vyrábí výkonové tranzistory ve velkých kovových pouzdrech, které se montují na pasivní chladiče.

Tranzistor BC547C
Ic = 0,1 A
Uce0 = 45 V
Ucb0 = 50 V
Pd = 0,625 W
H21E = 420-800
fT = 300 MHz
Tranzistor 2N2219A
Ic = 0,8 A
Uce0 = 40 V
Ucb0 = 75 V
Pd = 3 W
H21E = 50-300
fT = 300 MHz
Výkonový tranzistor 2N6488
Ic = 15 A
Uce0 = 80 V
Ucb0 = 90 V
Pd = 75 W
H21E = 20-150
fT = 5 MHz
Výkonový tranzistor BDY92
Ic = 10 A
Uce0 = 60 V
Ucb0 = 80 V
Pd = 60 W
H21E = 20-120
fT = 70 MHz