Praktická elektronika/BJT Tranzistory

Z Wikiknih

Bipolární tranzistor (BJT - Bipolar Junction Transistor) je součástka, která umožňuje malým proudem řídit větší proud, který jí protéká.

Existuje řada různých druhů tranzistorů, které se liší schopnostmi i způsobem ovládání. Předmětem této kapitoly jsou nejobyčejnější, tzv. bipolární tranzistory (BJT).

Úplně nejjednodušeji si můžeme bipolární tranzistor představit jako rezistor (s nožičkami kolektor C a emitor E), který chytře mění svůj odpor tak, aby jím neprotékal větší proud, než je βnásobek proudu, který teče do řídicí nožičky - báze B. Obvykle se používá buďto jako spínač, nebo jako zesilovač.

Bipolární tranzistory se vyskytují ve dvou variantách: NPN a PNP. Jsou funkčně skoro stejné, liší se ale opačnou polaritou: tam, kde u NPN teče proud jedním směrem, teče u PNP opačným. Častěji se používají tranzistory NPN, jež budeme proto v následujících příkladech používat i my. Všechna zapojení lze ale realizovat i s PNP, pokud u všech součástek (i napájení) otočíme polaritu. Značí se takto:

NPN        PNP

K zapamatování symbolu pomůže, že

• en pé en, šipka ven
• nožička se šipkou je vždy emitor

Obsah 1 Tranzistor jako spínač 2 Tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovač 3 Nejčastější zapojení tranzistoru jako zesilovače 3.1 Zesilovač se společným emitorem 3.2 Napěťový zesilovač se společnou bází 3.3 Proudový zesilovač se společným kolektorem

[editovat] Tranzistor jako spínač

Když tranzistor zapojíme podle schématu, bude malý proud tekoucí do báze I_BE určovat, jestli skrz žárovku poteče velký proud do kolektoru I_CE:

Funkce je vidět na fotografiích:

Aby tranzistor spínal a vypínal kolektorový proud, stačí do báze pustit výrazně menší proud (zde protéká 5 mA skrz 1 kΩ rezistor).

[editovat] Tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovač

Zesilovací činitel β popisuje, kolikrát tranzistor zesiluje proud. U běžného tranzistoru je β 50 - 150.

Pokud je β = 100 a do B teče 1 mA, dovolí tranzistor, aby z C do E teklo nejvýše 100 mA.

V následující ukázce bázový proud postupně zvětšujeme (točíme proměnným rezistorem od 48 kΩ do 1 kΩ):

Zpočátku (obr. 1 až 3) vzrůstá svit žárovky, neboť se vzrůstajícím bázovým proudem tranzistor propouští i větší kolektorový. Při dalším zvětšení bázového proudu (obr. 4) už nepozorujeme zvýšení svitu žárovky, protože sama omezuje proud. (Na tranzistoru bychom nyní naměřili skoro nulové napětí, protože už neomezuje kolektorový proud.)

Aby to nebylo tak jednoduché, přechod báze-emitor se chová jako dioda v otevřeném směru: má úbytek napětí 0,6 V. Pokud bází protéká proud, je na ní vždy napětí o 0,6 V vyšší než na emitoru.

[editovat] Nejčastější zapojení tranzistoru jako zesilovače

Ve třech následujících zapojeních přidáme k tranzistoru několik rezistorů a kondenzátorů, aby obvod sloužil jako napěťový a/nebo proudový zesilovač.

Tato zapojení slouží jako zesilovač střídavého signálu, čímž se rozumí střídavé napětí či proud (pro stejnosměrný signál jsou operační zesilovače). To znamená, že:

1. Musíme počítat s tím, že bude kladný i záporný. U tranzistoru je proto potřeba nastavit tzv. pracovní bod, tedy stav, kdy jím protéká malý stejnosměrný proud. Signál se pak přičítá či odčítá.
2. K oddělení stejnosměrného proudu a signálu můžeme použít kondenzátor.Ten se totiž pro stejnosměrný proud chová jako rozpojený čili tento proud jím neprojde na rozdíl od střídavého signálu, který jím může procházet.

Protože v těchto obvodech protéká proud, i když je signál nulový, označujeme je jako zesilovače třídy A. Hojně se využívají k zesilování zvuku, v rádiích, vysílačkách, televizích atd. Více najdete v kapitole o zesilovačích.

[editovat] Zesilovač se společným emitorem

Toto zapojení má velké proudové i napěťové zesílení. Používá se nejčastěji.

Nejdříve nastavíme tzv. pracovní bod tranzistoru. To obnáší přidat několik rezistorů:

• R₁ aby protékal malý proud rezistorem do báze
• (volitelně R₂ kvůli lepší stabilitě obvodu, avšak tuto funkci může alespon částečně plnit i R₄)
• R₃ aby na kolektoru byla zhruba polovina napětí zdroje
• (případně R₄, aby kladl odpor vstupnímu signálu a vytvořil tak zápornou zpětnou vazbu)

Nyní protéká malý bázový proud a na βkrát větší kolektorový proud. Když na vstup připojíme signál:

1. Signál prochází skrz C₁ a chce projít bází na zem. Přitom se přičítá k malému bázovému proudu, který teče trvale skrz R₁.
2. Při zvětšení signálu tekoucího skrz bázi tranzistor propustí větší proud na kolektoru. Vzroste úbytek napětí na R₃, poklesne napětí na výstupu.
3. Tím se zvětší napětí na R₄ a poklesne napětí na výstupu. Vzrůst napětí na R₄ ale brání bázovému proudu - takto je vytvořena zpětná vazba, která způsobí, že výsledné napěťové zesílení je poměr R₃/R₄.

Protože výstupní signál odebíráme za odporem, je převrácený oproti vstupu. Třeba u zvuku to vůbec nevadí.

[editovat] Napěťový zesilovač se společnou bází

Všechen proud výstupního signálu je tvořen proudem vstupního signálu. Toto zapojení tedy zesiluje jen napětí. Lze je použít i pro vysoké frekvence (~200 MHz).

[editovat] Proudový zesilovač se společným kolektorem

Vstupní signál zde v klidovém stavu musí procházet rezistorem R₃. To ale znamená, že na výstupu musí být napětí o trochu menší než na vstupu! Pokud na výstupu odebíráme proud, sníží se na něm napětí, umožní to větší průtok bázového proudu a ten okamžitě zvýší průtok kolektorového proudu. Tím se pokles napětí hned vyrovná a vstupní V tomto zapojení se nezesílí napětí, ale jen proud.

Výhodou je, že vzrůst napětí na vstupu je okamžitě sledován vzrůstem napětí na výstupu. Díky tomu je tento zesilovač řízen jen velmi malým proudem (který zesiluje).