Bipolární tranzistory

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

Vývody se označují jako Kolektor (Colector), Báze a Emitor.

Bázová vrstva je velmi tenká, emitorová vrstva má vyšší koncentraci příměsí než kolektorová.

Tranzistory 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.

Kontrolu funkčnosti tranzistoru lze provést měřičem diod, otestováním obou přechodů - tranzistor tvoří dvě sériově zapojené diody.

Funkční zapojení tranzistoru NPN

Simulace obvodu funkce tranzistoru NPN

Tranzistor je nutno zapojit tak, aby byly omezeny proudy do kolektoru a báze. Kolektorový rezistor RC představuje zátěž a omezuje kolektorový proud IC při plně otevřeném tranzistoru. Bázový rezistor 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.

Funkční zapojení tranzistoru PNP


Zapojení s tradičně orientovaným zdrojem

Simulace obvodu funkce tranzistoru PNP

Simulace obvodu funkce tranzistoru PNP s tradičně orientovaným zdrojem

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

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, v anglických materiálech označovaný jako hFE), 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.

Darlingtonův tranzistor


Vnitřní zapojení darlingtonova tranzistoru TIP122

Tranzistory určené pro velké výkony mají malý zesilovací činitel (cca 10). Pro případy potřeby velkého zesilovacího činitele se vyrábí dvojitý tranzistor v jednom pouzdře nazývaný Darlingtonův. První, méně výkonný tranzistor se zesílením cca 100 budí druhý výkonový tranzistor se zesílením cca 10. Výsledný zesilovací činitel je dán přibližně vynásobením zesilovacích činitelů obou tranzistorů (cca 1000).

Simulace obvodu s Darlingtonovým tranzistorem jako regulátorem

Použití tranzistoru v zapojení SE

Změnami velmi malého bázového proudu lze regulovat mnohonásobně větší kolektorový proud a použít tak tranzistor jako zesilovač nebo regulátor. 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, malý bázový proud způsobí otevření přechodu kolektor-báze a žárovka se rozsvítí velkým kolektorovým proudem. Rezistor RB omezuje bázový proud, aby nedošlo ke zničení přechodu báze-emitor překročením jeho maximálního proudu.

V sepnutém stavu je napětí mezi kolektorem a emitorem jen několik desetin voltu, říkáme, že tranzistor je v saturaci. Tím jsou minimalizovány tepelné ztráty tranzistoru.

Simulace obvodu s tranzistorem jako spínačem

Tranzistor jako regulátor

Potenciometrem v bázi můžeme velikostí bázového proudu plynule regulovat odpor přechodu kolektor-báze neboli velikost kolektorového proudu a tak měnit jas žárovky. Rezistor RB opět omezuje maximální proud bází.

V režimu regulace dochází k velkým tepelným ztrátám na odporu přechodu kolektor-báze, výkonový tranzistor se musí chladit.

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 saturace, pak se už téměř nemění. Tranzistor se chová jako ideální zdroj proudu.

Simulace obvodu demonstrujícího ideální zdroj proudu

Simulace obvodu demonstrujícího vylepšený ideální zdroj napětí

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

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, IBmax.

Při zahřívání tranzistoru se s rostoucí teplotou zvyšuje kolektorový proud nezávisle na bázovém proudu. To se řeší teplotní stabilizací.

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.

Naměřené charakteristiky skutečných tranzistorů





U bázového proudu Ib=15mA se už projevilo značné ohřívání tranzistoru, kolektorový proud Ic při vyšších hodnotách Uce rychle narůstá.

Měřící přípravek

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

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
Výkonový spínací tranzistor C4977
Ic = 7 A
Uce0 = 400 V
Ucb0 = 450 V
Pd = 40 W
h21E = 10
Darlingtonův dvojitý výkonový spínací tranzistor TIP122
Ic = 5 A
Uce0 = 100 V
Ucb0 = 100 V
Pd = 65 W
h21E = 1000