Promocja na książki o elektronice, programowaniu i IT: zamów 2, zapłać za 1 + darmowa dostawa. Sprawdź listę tytułów »

Kurs elektroniki – #7a – tranzystory bipolarne w praktyce

Kurs elektroniki – #7a – tranzystory bipolarne w praktyce

W tej części kontynuujemy podróż przez krainę półprzewodników - pora poznać tranzystory, bez których dzisiejszy świat wyglądałby inaczej.

Omówimy podstawowe parametry tranzystorów i zobaczymy jak najczęściej wykorzystuje się te elementy np. w połączeniu z Arduino.

Wiele osób szuka w Internecie informacji o działaniu tranzystora w praktyce. Jeśli trafiłeś tutaj szukając takich informacji to mamy nadzieję, że ten artykuł rozwiąże Twój problem. Pamiętaj jednak, że tekst ten jest częścią naszego darmowego kursu elektroniki. W poprzednich artykułach omówiliśmy dokładnie pojęcia i zjawiska, które są potrzebne do zrozumienia tranzystorów.

Czym jest tranzystor?

Rezystor ogranicza prąd, kondensator gromadzi ładunek, a dioda świeci. To jest oczywiste, czym jednak zajmuje się tranzystor? Jest on bardzo popularnym elementem, jednak zwięzłe opisanie zadania, które wykonuje nie jest łatwe. Jedno jest pewne: tranzystory zrewolucjonizowały dzisiejszą elektronikę.

Można spotkać się z tłumaczeniami, że tranzystor steruje przepływem prądu lub wzmacnia go. Oczywiście stwierdzenia te są poprawne. Jednak, gdy sam zaczynałem przygodę z elektroniką, to najlepiej przemówiło do mnie porównanie, że tranzystor to taki elektroniczny przełącznik. Dzięki niemu możemy w bezpieczny sposób (małym prądem) włączyć przepływ większego prądu.

Wyobraź sobie delikatne urządzenie elektroniczne np. Arduino, które można zaprogramować i stworzyć dzięki niemu niezwykle ciekawe urządzenia. Nie może ono jednak sterować przepływem dużego prądu. Do wyprowadzenia układu można podłączyć LEDa, który pobiera mały prąd i wszystko będzie działało, ale jeśli podłączymy tam np. silnik, to pobierze on tak duży prąd, że cały układ się spali.

Uszkodzenie wyjścia Arduino przez pobranie zbyt dużego prądu

Tutaj rozwiązaniem będzie tranzystor. Dzięki niemu z naszego delikatnego układu pobierzemy tylko mały prąd, który "powie" tranzystorowi, że ma się "włączyć" i wziąć na siebie ten duży prąd, który niezbędny jest do zasilania potężnego urządzenia podłączonego np. do Arduino.

Podstawowe informacje o tranzystorach

Tranzystory to elementy półprzewodnikowe mające, na ogół, trzy wyprowadzenia. Obudowy są różne, zależnie od parametrów i przeznaczenia elementów. Te najpopularniejsze, które znajdziesz w naszym zestawie do tego kursu są zamknięte w obudowach typu TO92. Jak widać są one bardzo małe:

Jeden tranzystor może występować w wielu różnych obudowach, a w każdej obudowie można kupić wiele różnych układów. Trzeba pamiętać, aby podczas zakupów sprawdzać oba parametry.

Tranzystory cechują się wieloma parametrami, więc nie wypisuje się ich na obudowach. Producenci stosują oznaczenia w postaci liter i cyfr (jak, na przykład BC546 i BC556), a po szczegóły odsyłają do not katalogowych - czyli obszernych plików PDF opisujących dany układ. Informacje można łatwo znaleźć, wystarczy wpisać w wyszukiwarkę symbol elementu z dopiskiem "datasheet".

Przykład fragmentu takiego dokumentu dla jednego z naszych tranzystorów:

Dokładne omówienie budowy tranzystora wykracza daleko poza zakres kursu podstaw elektroniki. Wiedza ta nie jest niezbędna do wykorzystywania ich w praktyce. Poniższe opisy potraktuj jako ciekawostki, do których będziesz mógł powrócić jeszcze raz, gdy poznasz tranzystory w praktyce.

Tranzystory bipolarne składają się z trzech warstw półprzewodnika, a do każdej z nich dołączone jest jedno wyprowadzenie. Warstwy te ułożone są jedna na drugiej, tworząc układ dwóch tzw. złącz. Nazwą tą określamy miejsce styku typów półprzewodników typu „n” oraz „p”.

Ułożenie półprzewodników w tranzystorach

W tranzystorach bipolarnych, wszystkie trzy wyprowadzenia mają swoje nazwy:

  • emiter (oznaczany na schematach jako E),
  • baza (oznaczana jako B),
  • kolektor (oznaczany jako C lub K).

Jeżeli do bazy przyłożymy nieduże napięcie (względem emitera), to elektrony z niego zaczną się przemieszczać w kierunku bazy. Jej obszar jest jednak bardzo cienki, więc duża część elektronów przy okazji przeleci do obszaru kolektora.

Gdyby ten mechanizm był idealny, baza nie wyłapywałaby żadnych elektronów i nie płynąłby przez nią żaden prąd. Niestety, część elektronów zostaje uwięziona w obszarze bazy, skąd muszą zostać zabrane. Powoduje to, że przez bazę płynie niewielki, niepożądany prąd. Użyteczny jest natomiast prąd kolektora, do którego dociera zdecydowana większość elektronów z emitera.

Na tej podstawie można już stwierdzić, że tranzystor jest elementem sterowanym: zmieniając prąd bazy, czyli ilość odprowadzanych elektronów, regulujemy prąd kolektora. Stosunek tych dwóch prądów to wzmocnienie prądowe oznaczane grecką literą β (beta), wielkość ta nie posiada jednostki i może wynosić od kilkunastu do kilku tysięcy:

β = prąd kolektora / prąd bazy,
co zapisuje się jako: β = IC / IB

Podczas eksperymentów, obliczymy tę wartość wzmocnienia - wtedy wszystko powinno być łatwiejsze do zrozumienia i zapamiętania.

Podział tranzystorów bipolarnych

Istnieją dwa typy tranzystorów bipolarnych: NPN i PNP. Tak, jak było to już wspomniane - jest to dla nas informacja o tym, jakich typów półprzewodników użyto do budowy poszczególnych obszarów. Różne wykorzystanie półprzewodników powoduje, że tranzystory te "działają odwrotnie".

W praktyce i w dużym uproszczeniu dla początkujących:

  • typ NPN zacznie przewodzić, gdy do bazy przyłożymy napięcie dodatnie względem emitera, czyli przy standardowym podłączeniu na bazę podamy wysoki potencjał (plus z baterii),
  • typ PNP zacznie przewodzić, gdy do bazy przyłożymy napięcie ujemne względem emitera, czyli przy standardowym podłączeniu na bazę podamy niski potencjał (masę, minus z baterii).

Wszystko to stanie się jasne po wykonaniu ćwiczenia praktycznego. Zanim do niego przejdziemy warto jeszcze wspomnieć, że każdy z typów tranzystorów ma innych symbol na schematach. W tranzystorach NPN strzałka na emiterze skierowana jest na zewnątrz układu, natomiast w przypadku PNP kieruje ona do wewnątrz symbolu. Strzałka ta wskazuje kierunek, w którym prąd płynie między emiterem i bazą. 

Symbole tranzystorów NPN i PNP

Test tranzystora NPN w praktyce

Za nami trochę teorii. Czas przetestować, jak to działa w praktyce. Tranzystory to naprawdę szeroki temat, tutaj zostanie omówione jedynie ich podstawowe działanie. Zaczniemy od układu, który wykorzysta tranzystor w roli klucza sterującego świeceniem diody. Czyli sterując prądem bazy będziemy mogli włączać i wyłączać diodę podłączoną do tranzystora.

Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

Do złożenia układu potrzebne są następujące elementy:

  • tranzystor BC546B,
  • rezystory 1kΩ i 10kΩ,
  • dioda świecąca,
  • bateria 9V z przewodami,
  • płytka stykowa,
  • miernik uniwersalny.

Schemat połączeń przedstawiony jest poniżej. Miejsca oznaczone jako amperomierze i woltomierze można na początku pominąć. Trzeba tylko złożyć układ w taki sposób, aby można było wpiąć miernik w te cztery zaznaczone miejsca.

Schemat testowanego układu z tranzystorem NPN

Opis wyprowadzeń tranzystora warto sprawdzić w jego dokumentacji. Można też wspomóc się naszą grafiką, trzeba tylko pamiętać, że zawsze dla nowych elementów lepiej sprawdzić opis wyprowadzeń w nocie katalogowej (nie zawsze wszystkie wyprowadzenia muszą być ułożone w tej samej kolejności):

Opis wyprowadzeń tranzystora BC546

Układ ten można na płytce stykowej złożyć np. w taki sposób:

Schemat montażowy układu z tranzystorem

W praktyce układ ten może wyglądać tak, jak poniżej. Efektem tego połączenia jest świecenie diody, czyli niby nic nadzwyczajnego, prawda? Jednak sprawdźmy, co dokładnie dzieje się w układzie.

Po podłączeniu baterii, dioda zaczyna świecić. To dlatego, że przez bazę płynie prąd (ograniczany rezystorem 10kΩ). Umożliwia to przepływ prądu przez kolektor, w szereg z którym włączona jest dioda. Rezystor (1kΩ) ogranicza prąd płynący przez tę diodę, aby nie uległa uszkodzeniu. Jeśli przewód idący z dodatniej szyny zasilania do bazy zostanie odłączony, to dioda przestanie świecić.

Jak dobrać rezystor do diody? Różne metody zasilania LED!
Jak dobrać rezystor do diody? Różne metody zasilania LED!

Diody znajdują zastosowanie w wielu projektach. Niestety nie wszyscy potrafią… Czytaj dalej »

Jeżeli układ działa, to można wykonać na nim kilka pomiarów. Na początku zmierzmy napięcia, które zaznaczone zostały na schemacie. Mowa o napięciu między bazą, a emiterem (tzw. baza-emiter) oraz o napięciu między kolektorem, a emiterem (tzn. kolektor-emiter). Przykładowy pomiar w mV:

Teraz pora na ciekawszy pomiar, czyli pomiar prądu. Pamiętaj o przestawieniu miernika i zbadaj prąd bazy (wpinając miernik szeregowo z rezystorem 10k) oraz prąd kolektora (wpinając miernik szeregowo z rezystorem 1k). Spodziewamy się małych wartości, więc zakres ustawiamy na 20mA.

Wyniki pomiarów warto zebrać w tabeli, w naszym przypadku wyglądało to następująco:

Interpretacja pomiarów: napięcie kolektor-emiter jest bardzo małe, rzędu kilkudziesięciu miliwoltów. Oznacza to, że tranzystor wszedł w stan nasycenia. Jest to sytuacja, w której przez kolektor płynie prąd mniejszy, niż wynikałoby to ze współczynnika β. Sprawdźmy czy tak jest: zgodnie z dokumentacją dla tego tranzystora, współczynnik ten zawiera się w przedziale między 200, a 450. Informuje o tym litera B na końcu oznaczenia, która znajduje się również na naszym tranzystorze. Fragment dokumentacji:

9

Przeprowadźmy proste obliczenie: znamy prąd bazy, znamy wzmocnienie prądowe - policzmy, jaki prąd powinien płynąć przez kolektor, aby był on nienasycony. Przekształcamy wzór β = Ic / IB do postaci: Ic = β * IB następnie podstawiamy do niego skrajne wartości współczynnika, czyli 200 oraz 450. Dzięki temu obliczmy zakres spodziewanego prądu kolektora:

  • minimalnie: Ic1 = β * IB = 200 * 0,86mA = 172mA
  • maksymalnie: Ic2 = β * IB = 450 * 0,86mA = 387mA

Tymczasem, przez kolektor płynie zaledwie 7mA. Dzieje się tak, ponieważ ogranicza go rezystor 1kΩ. Gdyby go tam nie było, to przez kolektor mógłby popłynąć znacznie większy prąd, ale skończyłoby się to zniszczeniem diody, tranzystora oraz (prawdopodobnie) uszkodzeniem baterii.

Tranzystor działa tutaj jak włącznik: załączając przepływ prądu bazy o niewielkim natężeniu, jesteśmy w stanie załączyć przepływ większego prądu przez kolektor. Z kolei po odłączeniu prądu bazy, niemal natychmiast zanika również prąd kolektora.

Kiedy przez kolektor płynie prąd to o tranzystorze mówi się, że jest otwarty. Wtedy napięcie na jego bazie jest o około 0,7V większe niż na emiterze. Z kolei, aby zamknąć tranzystor (czyli uniemożliwić przepływ prądu kolektora), należy napięcie baza-emiter zmniejszyć (najlepiej do zera).

Wykorzystywanie tranzystorów NPN i PNP

Teraz pora na wyjaśnienie praktycznych różnic między tranzystorem NPN, a PNP. Niezależnie od typu tranzystora, który wykorzystujemy w celu umożliwienia przepływu dużego prądu (emiter-kolektor) do jego działania musimy "zamknąć" obwód baza-emiter.

  • W tranzystorach NPN emiter podłączony jest do masy układu (GND), dlatego baza musi zostać podłączona (przez rezystor ograniczający prąd) do plusa baterii (VCC).
  • Natomiast w przypadku PNP emiter podłączony jest do VCC, więc bazę należy połączyć (przez rezystor) z masą układu (GND).

Inaczej mówiąc, przepływ dużego prądu możemy "aktywować" przez rezystor:

  • masą układu (GND) w przypadku PNP,
  • dodatnim zasilaniem (VCC) w przypadku NPN.

W praktyce, układy sterujące diodą przez tranzystor mogą wyglądać jak poniżej - oczywiście dioda jest tutaj tylko przykładem. Normalnie zamiast LEDów podłącza się elementy, które pobierają duży prąd (np. silniki, przekaźniki). Diody używane są tu jedynie dla łatwej demonstracji tego tematu.

Często używane klucze tranzystorowe NPN i PNP

Koniecznie zapamiętaj te schematy, najlepiej podłącz teraz oba obwody i je przetestuj! Nie powinieneś mieć już problemu z samodzielnym przeniesieniem układu na płytkę stykową. Schematy te znajdziesz również w naszych kieszonkowych ściągach z elektroniki.

Najważniejsze, aby zapamiętać różnicę między powyższymi układami. Jeden z nich pozwala włączyć przepływ prądu za pomocą "dodatniej szyny zasilania", a drugi za pomocą "ujemnej szyny zasilania". Jest to szalenie wygodne i przydatne przy korzystaniu z układów cyfrowych, które na swoich wyjściach mogą "wystawić" właśnie jeden z tych stanów.

Zadanie domowe

Wykonaj pomiary dla połączenia z tranzystorem PNP (analogicznie do pomiarów przeprowadzonych dla NPN). Wynikami oraz spostrzeżeniami podziel się w komentarzu!

Praktyczne zastosowanie tranzystorów

Poniżej znajduje się fragment schematu, na którym mikrokontroler steruje buzzerem (generatorem dźwięku) pobierającym około 50mA. Z pojedynczego wyjścia Arduino najczęściej można pobierać do 20mA, dlatego bezpośrednie podłączenie buzzera uszkodziłoby układ. Zastosowanie tranzystora, który działa jak przełącznik, pozwala bezpiecznie sterować podłączonym generatorem dźwięku.

Sterowanie elementem z wykorzystaniem tranzystora

W tym układzie, przez wyprowadzenie mikrokontrolera płynie jedynie niewielki prąd, rzędu 0,8mA, a buzzer jest zasilany przez tranzystor. Stan wysoki na wyjściu Arduino załącza dźwięk.

Aby nie wdawać się w szczegóły obliczeniowe, możesz przyjąć, że użycie rezystora 10kΩ umożliwia w takich przypadkach sterowanie obciążeniami pobierającymi nie więcej niż około 60mA, a rezystor 1kΩ nada się w sytuacjach, gdy obciążenie pobiera do 500mA, ale trzeba wtedy użyć innego tranzystora, np. BC337, który zdolny jest do wysterowania takiego prądu.

Podłączenie obciążenia do emitera

Wielu początkujących zastanawia się co stanie się, jeśli "obciążenie" podłączymy do emitera, a nie do kolektora. Układ również zadziała, ale wkraczamy tutaj w dość zawiły temat różnych układów pracy tranzystora (wspólny kolektor, wspólny emiter, wspólna baza).

Przykładowe podłączanie obciążenia do kolektora lub emitera

Zagadnienie to jest dość rozbudowane (jak na początek). Dlatego teraz dobrze jest tylko "przyjąć do wiadomości", że najlepiej będzie, jeśli obciążenie będzie jednak podłączane do kolektora.

Praktyczne projekty z tranzystorami 

Oczywiście tranzystory mają znacznie więcej zastosowań. W kolejnej części kursu wykonamy ciekawe projekty, które pozwolą lepiej zrozumieć ich działanie. Przed przejściem dalej warto się jednak dobrze zapoznać z opisanym tutaj materiałem. Efekt działania przykładowego projektu z kolejnej części kursu:

Przykładowy projekt zbudowany z wykorzystaniem tranzystorów

Jednym z przykładów będzie budowa powyższego układu migającego dwiema diodami świecącymi, które mogą np. symulować działanie koguta policyjnego.

Podsumowanie

Omówiliśmy skrótowo czym są tranzystory, jak są zbudowane i jak działają. udowodniliśmy również, że tranzystor może zostać użyć w roli przełącznika sterowanego stanem na wyjściu mikrokontrolera. Docenisz to, gdy zajmiesz się programowaniem Arduino, do czego gorąco zachęcamy.

Czy artykuł był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena / 5. Głosów łącznie:

Tranzystory są fundamentem dzisiejszej elektroniki, dlatego naprawdę warto wiedzieć, jak z nich korzystać. Zrozumienie tych elementów nie jest prostym zadaniem, ale podstawowe kwestie powinny być już jasne po wykonaniu opisanych tu ćwiczeń.

Nawigacja kursu

Aktualna wersja kursu: Damian Szymański, ilustracje: Piotr Adamczyk. Pierwsza wersja: Michał Kurzela. Schematy montażowe zostały wykonane przy częściowym wykorzystaniu oprogramowania Fritzing (oraz własnych bibliotek elementów). Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl

Data ostatniego sprawdzenia lub aktualizacji tego wpisu: 12.03.2019.

elektronika, kursElektroniki, npn, pnp, podstawy, półprzewodniki, tranzystor, tranzystory

Trwa ładowanie komentarzy...