Kurs elektroniki – #7 – tranzystory w praktyce

Kurs elektroniki – #7  – tranzystory w praktyce

W tej części kontynuujemy podróż przez krainę półprzewodników - tym razem garść informacji o tranzystorach. O zasadach działania, typach i zastosowaniach.

Przekonasz się, że tranzystory są wdzięcznymi elementami, o ile poprawnie się je stosuje.

Czym jest tranzystor?

Rezystor ogranicza prąd, kondensator gromadzi ładunek, a dioda LED świeci. To jest oczywiste, czym jednak zajmuje się tranzystor? Jest on bardzo popularnym i użytecznym elementem, jednak zwięzłe opisanie zadania, które wykonuje nie jest wcale takie łatwe.

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 dużego prądu.

Tak samo działa przełącznik. Gdy chcesz włączyć światło naciskasz przycisk (wykonujesz małą, bezpieczną pracę), a w przewodach zaczyna płynąć niebezpieczne 230V, które zasila żarówkę.

Wraz z kolejnymi przykładami praktycznymi powinieneś zrozumieć to dużo lepiej. Najpierw jednak odrobina strasznej teorii.

Budowa tranzystora

Tranzystory to elementy półprzewodnikowe mające, na ogół, trzy wyprowadzenia. Obudowy są różne, zależnie od parametrów i przeznaczenia tranzystora. Te najpopularniejsze, które znajdziesz w zestawie to obudowy tzw. TO92. Jak widać są one bardzo małe:

1

Tranzystory BC546B oraz BC556B w obudowie przewlekanej.

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

Kolejna uwaga: ponieważ tranzystory cechują się wieloma parametrami, nie wypisuje się ich na obudowach - nie wystarczyłoby na to miejsca. Producenci stosują oznaczenia w postaci liter i cyfr (jak, na przykład, wspomniane BC546B i BC556B), a po szczegóły odsyłają do katalogów.

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 będzie można powrócić jeszcze raz, gdy poznasz tranzystory od strony praktycznej.

Na wcześniejszym zdjęciu znajdują się tranzystory bipolarne. Oznacza to, że składają się z trzech warstw półprzewodnika, a do każdej z nich dołączona jest nóżka. Warstwy te ułożone są jedna na drugiej, tworząc układ dwóch tzw. złącz.

W tranzystorach bipolarnych, wszystkie trzy wyprowadzenia mają swoje nazwy:

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

Złącza wytwarzają się na styku bazy i emitera oraz bazy i kolektora, zatem są to złącza baza-emiter i baza-kolektor. Tranzystor w przekroju widoczny jest poniżej.

Emiter służy do tego, aby emitować (stąd nazwa) nośniki ładunku elektrycznego wgłąb struktury tranzystora. Tutaj są to elektrony (które mają ładunek ujemny).

Jeżeli do bazy przyłożymy nieduże napięcie względem emitera, to elektrony z niego zaczną się przemieszczać w stronę bazy. Jej obszar jest jednak bardzo cienki, więc duża część elektronów przelatuje do obszaru kolektora.

Przekrój tranzystora.

Przekrój tranzystora.

Gdyby ten mechanizm był idealny, baza nie wyłapywałaby żadnych elektronów i nie płynąłby przez nią 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.

Ten skomplikowany proces został przedstawiony na poniższej animacji:

tranzystory_2

Stosunek tych dwóch prądów to wzmocnienie prądowe i oznacza się je grecką literą β (beta). Jest to wielkość nieposiadająca jednostki.

β = IC / IB
β = prąd kolektora / prąd bazy

Już niedługo, podczas eksperymentów praktycznych, zajmiemy się obliczeniem wzmocnienia prądowego. Wtedy wszystko powinno być jeszcze łatwiejsze. W katalogach stosuje się również oznaczenie hFE. Wielkość tego parametru może wynosić od kilkunastu do kilku tysięcy, zależnie od typu tranzystora.

Od teraz łatwiejsza część artykułu!

Podział tranzystorów bipolarnych

Istnieją dwa typy tranzystorów bipolarnych: npn i pnp. Jest to informacja o tym, jakich typów półprzewodnika użyto do budowy poszczególnych obszarów. Powoduje to, że działają one „odwrotnie” – w tranzystorach npn (jak ten, omówiony wcześniej) z emitera wylatują elektrony, a do bazy przykładamy napięcie dodatnie względem niego. Natomiast w pnp emiter produkuje dziury, zaś bazie należy nadać niewielki potencjał ujemny.

Ponadto, różnią się one symbolem na schematach – jednym, aczkolwiek istotnym szczegółem. W tranzystorach NPN strzałka na emiterze skierowana jest na zewnątrz układu, natomiast w przypadku PNP kieruje ona do wewnątrz symbolu.

Na początku zajmijmy się tranzystorem typu NPN.

Proste wykorzystanie tranzystora

Za nami trochę niezbędnej pogadanki o teorii. Teraz nadszedł czas, aby przetestować, jak to wszystko działa w praktyce. Tranzystory to naprawdę szeroki temat, tutaj zostanie omówione jedynie ich podstawowe zachowanie. 

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Zestaw ponad 90 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu dostępny jest u naszych dystrybutorów już od 47zł!

Kup w Botland.com.pl

Pierwszy układ wykorzysta tranzystor w roli bardzo prostego klucza sterującego świeceniem diody. Do złożenia układu potrzebne są następujące elementy:

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

Wykorzystany tutaj tranzystor jest typu NPN. Układ jego wyprowadzeń jest następujący (możesz wspomagać się również przekrojem z początku artykułu):

bc546

Schemat połączeń przedstawiony jest poniżej. Miejsca oznaczone jako amperomierze i woltomierze możesz na początku pominąć. Dopiero w dalszym kroku będziemy badać odpowiednie właściwości tranzystora.

tranzystory4

W praktyce układ wygląda tak, jak na poniższym zdjęciu. Jak widać efektem tego połączenia jest świecenie diody. Niby nic nadzwyczajnego, prawda? Jednak sprawdźmy, co dokładnie dzieje się w układzie.

Widok zmontowanego układu.

Widok zmontowanego układu.

Po podłączeniu baterii, dioda zaczyna świecić. To dlatego, że przez bazę płynie prąd (ograniczany rezystorem 10kΩ). Umożliwia to przepływ prądu kolektora, w szereg z którym włączona jest dioda. Rezystor (1kΩ) ogranicza prąd płynący przez tę diodę (aby nie uległa uszkodzeniu - patrz część szósta kursu podstaw elektroniki).

Jeżeli układ już działa, to można wykonać na nim kilka pomiarów. Na początku napięcia, które zaznaczone zostały na schemacie:

Teraz pora na ciekawszy pomiar, czyli pomiar prądu. Pamiętaj, że ta operacja może wymagać fizycznego przełączenia przewodów w Twoim mierniku. Więcej o tym znajdziesz w drugiej części kursu podstaw elektroniki.

Wyniki pomiarów można zebrać w tabelę:

tabela_tranzystor

Co z tych pomiarów wynika? Napięcie kolektor-emiter jest bardzo małe, rzędu kilkudziesięciu miliwoltów. Oznacza to, że tranzystor wszedł w stan nasycenia. Jest to moment, kiedy przez kolektor płynie prąd mniejszy, niż wynikałoby to ze współczynnika β – dla tego tranzystora, zawiera się on w przedziale między 200, a 450. Informuje o tym litera B na końcu oznaczenia.

9

Przeprowadźmy proste obliczenie: znamy prąd bazy, znamy wzmocnienie prądowe - policzmy, jaki prąd powinien płynąć przez kolektor, aby nie był on nasycony:

tranzystory_obliczenia

Tymczasem, przez kolektor płynie zaledwie 7mA, ponieważ ogranicza go rezystor 1kΩ. Gdyby go tam nie było, przez kolektor popłynąłby wielki prąd, ale skończyłoby się to zniszczeniem diody, tranzystora, a może nawet baterii.

Tranzystor działa tutaj jak wyłącznik: załączając przepływ prądu bazy o niewielkim natężeniu, jesteśmy stanie załączyć przepływ znacznie większego prądu przez kolektor. Z kolei, odłączając prąd bazy, niemal natychmiast zanika prąd kolektora.

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

Zasada wykorzystania tranzystorów

Teraz pora na wyjaśnienie powyższych różnic pomiędzy tranzystorem NPN, a PNP. Niezależnie od typu tranzystora, który wykorzystujemy w celu umożliwienia przepływu dużego prądu (emiter-kolektor) 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 układ sterujący diodą na tranzystorze każdego typu wygląda tak, jak poniżej:

tranzystory3

Koniecznie podłącz oba obwody! Nie powinieneś mieć już żadnego problemu z samodzielnym przeniesieniem układu na płytkę stykową.

Zadanie domowe 7.1

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

Zastosowanie tranzystorów - Kiedy i po co?

Poniżej znajduje się fragment schematu, na którym mikrokontroler steruje buzzerem (generatorem dźwięku), który pobiera prąd ok. 50mA. Z poszczególne wyjścia mikrokontrolerów najczęściej można pobierać do 20mA, dlatego bezpośrednie podłączenie buzzera uszkodziłoby układ.

Dlatego zastosowano tutaj tranzystor, który działa jak przełącznik.

tranzystor_animacja

W tym układzie, przez wyprowadzenie mikrokontrolera płynie jedynie niewielki prąd, rzędu 0,8mA, zaś sam buzzer jest zasilany przez tranzystor. Wystawienie stanu wysokiego załącza dźwięk, stan niski wyłącza.

Aby nie wdawać się w szczegóły obliczeniowe, możesz przyjąć, że użycie rezystora 10kΩ umożliwia sterowanie obciążeniami pobierającymi nie więcej niż ok. 60mA, a rezystor 1kΩ nada się w sytuacjach, kiedy obciążenie pobiera nawet i 500mA, ale trzeba wtedy użyć innego tranzystora, np. BC337, który zdolny jest do sterowania większego prądu.

Żeby zależności te były prawdziwe należy przyjąć, że mowa jest o tranzystorach mających wzmocnienie prądowe o wartości 200 lub więcej (czyli, na przykład, grupy B i C według wskazanego fragmentu katalogu), a układy zasilane są napięciem 5V.

Powyższa animacja ilustruje 90% przykładów, w których będziesz wykorzystywał tranzystor jako początkujący. Dlatego zapamiętaj jak należy podłączyć tranzystor NPN i PNP w roli "przełącznika".

Inne rodzaje tranzystorów - MOSFET

Dotychczas omówiono tranzystory bipolarne, gdzie przepływ prądu kolektora jest zależny od prądu bazy. Istnieje inna grupa tranzystorów, gdzie płynący prąd zależy od wartości przyłożonego napięcia. Co ważne, ze źródła sterującego nie pobierają one żadnego prądu!

Taki tranzystor jest dołączony do zestawu i nosi oznaczenie BS170. Wygląda identycznie, jak poprzednie, ale zachowuje się całkowicie inaczej.

12

Tranzystor MOSFET.

BS170 jest tranzystorem unipolarny MOSFET z kanałem typu N.

mos

Nie mają one emitera, bazy i kolektora, tylko, odpowiednio, źródło, bramkę i dren. Przykładając napięcie o wartości kilku-kilkunastu woltów między bramkę, a źródło (źródło zwarte do masy), umożliwia się przepływ prądu przez otwarty kanał, czyli między drenem a źródłem.

Ich znaczenie w układach pobierających relatywnie niewielkie prądy (rzędu setek miliamperów) jest niewielkie, za to przy dużych prądach zyskują na znaczeniu właśnie dzięki temu, że do ich sterowania "nie jest potrzebny prąd". Dlatego na początku swojej przygody z elektroniką zapewne nie będziesz wykorzystywał MOSFETów.

Zadanie domowe 7.2*

Zadanie drugie będzie trudne, ale ciekawe! Wykorzystamy tranzystory, aby zbudować praktyczny układ. Jednak najpierw musisz dobrze opanować zagadnienia z tej części kursu. Dlatego drugie zadanie domowe związane z tranzystorami pojawi się jako dodatek do jednej z kolejnych części!

Teraz przygotuj się do niego przyswajając materiał!

Podsumowując

Dowiedziałeś się, co to są tranzystory, jak są zbudowane i na jakiej zasadzie działają. Przekonałeś się, że tranzystor można użyć w roli przełącznika sterowanego stanem logicznym na wyjściu mikrokontrolera. Docenisz, to gdy zajmiesz się programowaniem układów. Możesz zacząć już teraz od naszego kursu programowania Arduino!

Elementy te są fundamentem dzisiejszej elektroniki, dlatego warto wiedzieć, jak je stosować i jakimi wymaganiami jest to obwarowane. Zarówno zrozumienie jak i proste opisanie tranzystorów nie jest prostym zadaniem. Dlatego mam nadzieje, że wszelkie wątpliwości wyjaśnią się w komentarzach. Jeśli chciałbyś już teraz poznać więcej szczegółów o tranzystorach powinieneś zajrzeć do książek związanych z elektroniką. Na tym etapie polecam: Elektronikę dla bystrzaków. Wydanie II.

Nawigacja kursu

Nie oszczędzaj czasu na eksperymenty. Wszystkie testy przeprowadzisz dzięki garstce tanich elementów. Gwarantuję Ci, że kilkanaście minut poświęcone na testy praktyczne zaowocuje lepszym poznaniem tematu!

Autor: Michał Kurzela
Edycja: Damian (Treker) Szymański

P.S. Nie chcesz przeoczyć kolejnych części naszego darmowego kursu podstaw elektroniki? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych publikacjach!

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

Komentarze

Trwa przerwa techniczna - komentarze do tego wpisu są dostępne na forum: