NPN tranzistory: zařízení, princip činnosti a způsoby spínání

První bipolární tranzistor byl vynalezen v roce 1947 v Bell Laboratories. „Dvě polarity“ je zkráceno jako „bipolární“, odtud název „Bipolar junction tranzistor“ (BJT). Bipolární tranzistor je třísvorkové zařízení s kolektorem (C), bází (B) a emitorem (E). K identifikaci vývodů tranzistoru je zapotřebí schéma zapojení konkrétního typu bipolárního tranzistoru. Existují dva typy takových tranzistorů – typ NPN a PNP. V tomto článku budeme hovořit o tranzistorech NPN. Uvažujme dva příklady tranzistorů NPN, BC547A a PN2222A, zobrazené na následujících obrázcích.

V závislosti na výrobním procesu se může konfigurace tranzistorových kolíků lišit. Se zvyšujícím se jmenovitým výkonem tranzistoru musí být k tělu tranzistoru připojen chladič. Nezaujatý tranzistor nebo tranzistor bez potenciálu na jeho svorkách je analogický dvěma diodám připojeným zády k sobě, jak je znázorněno na obrázku níže.

Dioda D1 má vlastnost zpětné vodivosti založenou na propustné vodivosti diody D2. Když proud protéká diodou D2, dioda D1 snímá proud a proporcionální proud bude moci téci v opačném směru z kolektorové svorky do emitorové svorky za předpokladu, že na kolektorovou svorku je aplikován vyšší potenciál. Proporcionální konstantou je v tomto případě zesílení (β).

<strong>Jak fungují tranzistory NPN</strong>

Jak bylo diskutováno výše, tranzistor je proudově řízené zařízení, které má dvě ochuzovací vrstvy s určitým bariérovým potenciálem potřebným pro difúzi ochuzovací vrstvy. Bariérový potenciál křemíkového tranzistoru je 0,7 V při 25 °C a 0,3 V při 25 °C pro germaniový tranzistor. Nejčastěji používané tranzistory jsou křemíkového typu, protože křemík je po kyslíku nejrozšířenějším prvkem na Zemi.

Vnitřní provoz:

Výstavba npn tranzistor spočívá ve skutečnosti, že oblasti kolektoru a emitoru jsou dotovány materiálem typu n a oblast báze je dotována malou vrstvou materiálu typu p. Oblast emitoru je ve srovnání s oblastí kolektoru silně dotována. Tyto tři oblasti tvoří dvě spojení. Jedná se o přechod kolektor-báze (CB) a přechod báze-emitor.

Když je potenciál VBE aplikován přes spojení báze-emitor, zvyšující se od 0 V, elektrony a díry se začnou hromadit v oblasti vyčerpání. Při zvýšení potenciálu nad 0,7 V je dosaženo bariérového napětí a dochází k difúzi. Proto elektrony proudí ke kladnému pólu a proud báze (IB) je opačný než proud elektronů. Kromě toho začne proudit proud z kolektoru do emitoru, pokud je na svorku kolektoru přivedeno napětí VCE. Tranzistor může fungovat jako spínač i jako zesilovač.

Oblast provozu a provozní režim:

1. Aktivní oblast, IC = β×IB – práce zesilovače.
2. Oblast saturace, IC = saturační proud – provoz spínače (plně zapnuto).
3. Oblast vypnutí, IC = 0 – provoz spínače (zcela VYPNUTO)

Tranzistor jako spínač

Pro vysvětlení principu činnosti tranzistoru pomocí PSPICE byl zvolen model tranzistoru BC547A. První věc, kterou je třeba mít na paměti, je použít na bázi odpor omezující proud, protože vysoké proudy báze mohou bipolární tranzistor poškodit. Datasheet BC547A ukazuje, že maximální kolektorový proud je 100 mA a je specifikováno odpovídající zesílení (hFE nebo β).

Fáze výběru komponent:

1. Najděte kolektorový proud z proudu odebraného vaší zátěží. V tomto případě to bude 60 mA (cívka relé nebo paralelní LED) a odpor = 200 Ohm.

2. Pro uvedení tranzistoru do saturace je nutné dodat dostatečný proud báze, aby byl tranzistor plně sepnut. Výpočet proudu báze a hodnoty použitého odporu:

Pro plnou saturaci by měl být proud báze přibližně 0,6 mA (ne příliš vysoký ani příliš nízký). Níže je tedy obvod s 0V na základně, během kterého je spínač ve vypnutém stavu.

Teoreticky je spínač zcela otevřený, ale v praxi lze pozorovat svodový proud. Tento proud je zanedbatelný, protože se měří v pA nebo nA. Pro lepší pochopení řízení proudu si lze tranzistor představit jako proměnný rezistor mezi kolektorem (C) a emitorem (E), jehož odpor se mění v závislosti na proudu procházejícím bází (B).

Zpočátku, když základnou neprotéká žádný proud, je odpor CE velmi vysoký a neprotéká jí žádný proud. Když je na svorku báze přiveden potenciál 0,7 V nebo vyšší, přechod BE se rozptýlí a způsobí difúzi přechodu CB. Nyní proud teče z kolektoru do emitoru v závislosti na zesílení.

Nyní se podívejme, jak ovládat výstupní proud ovládáním základního proudu. Uvážíme-li IC = 42 mA a podle stejného vzorce uvedeného výše, dostaneme IB = 0,35 mA; RB = 14,28 kOhm ≈ 15 kOhm.

Odchylka praktické hodnoty od vypočtené hodnoty je způsobena úbytkem napětí na tranzistoru a použitou odporovou zátěží.

Tranzistor jako zesilovač

Amplifikace je převod slabého signálu do použitelné formy. Proces zesílení se stal důležitým krokem v mnoha aplikacích, jako jsou bezdrátové přenášené signály, bezdrátové přijímané signály, MP3 přehrávače, mobilní telefony atd. Tranzistor může zesilovat výkon, napětí a proud v různých konfiguracích.

Některé z konfigurací používaných v obvodech zesilovače jsou:

1. Společný emitorový zesilovač.
2. Společný kolektorový zesilovač.
3. Společný základní zesilovač.

Z výše uvedených typů je nejoblíbenější a nejpoužívanější konfigurace společného emitoru. Práce probíhá v aktivní oblasti. Příkladem je jednostupňový obvod zesilovače se společným emitorem. Stabilní stejnosměrný bod předpětí a stabilní zisk střídavého proudu jsou důležité při navrhování zesilovače.

Účel obvodových součástek

CIN je vazební kondenzátor, který spojuje vstupní signál s bází tranzistoru. Tento kondenzátor tedy izoluje zdroj od tranzistoru a propouští pouze střídavý signál.

CE je oddělovací kondenzátor, který funguje jako nízkoodporová cesta pro zesílený signál.

COUT je oddělovací kondenzátor, který přenáší výstupní signál z kolektoru tranzistoru. Tento kondenzátor tedy izoluje výstup tranzistoru a propouští pouze střídavý signál.

Rezistory R2 a RE zajišťují stabilitu zesilovače, zatímco R1 a R2 společně zajišťují stabilitu stejnosměrného předpětí tím, že fungují jako potenciálový dělič.

Princip činnosti obvodu

Schéma funguje okamžitě pro každý časový interval. Pro snazší pochopení, když se zvýší střídavé napětí na bázi tranzistoru, protéká emitorovým rezistorem odpovídající zvýšení proudu. Toto zvýšení proudu emitoru tedy zvyšuje kolektorový proud protékající tranzistorem, což snižuje pokles napětí kolektor-emitor VCE. Podobně, když vstupní střídavé napětí exponenciálně klesá, napětí VCE se začne zvyšovat v důsledku poklesu proudu emitoru. Všechny tyto změny napětí se okamžitě projeví na výstupu, který bude mít obrácenou formu vstupního signálu, ale zesílený.

V následující tabulce je uvedena srovnávací charakteristika zesilovacích obvodů na bipolárním tranzistoru v závislosti na způsobu jeho zařazení do obvodu.

V souladu s touto tabulkou, na základě charakteristik obvodu, který požadujete, můžete zvolit potřebný způsob připojení tranzistoru.