Czym jest tranzystor? Budowa tranzystora

Transkrypt

1 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. Jedno jest pewne. Tranzystory całkowicie zrewolucjonizowały dzisiejszą elektronikę. Znajdują się dosłownie wszędzie, a układy scalone składają się z milionów małych tranzystorów! 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. 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: Tranzystory BC546B oraz BC556B w obudowie przewlekanej. Symbol tranzystora np.: BC546B, to zupełnie coś innego od symbolu obudowy 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. 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. Złącze to miejsce styku dwóch typów półprzewodnika: n oraz p. W tranzystorach bipolarnych, wszystkie trzy wyprowadzenia mają swoje nazwy: o emiter (oznaczany na schematach E) o baza (oznaczana B) o 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 bazakolektor. Tranzystor w przekroju widoczny jest poniżej. Emiter służy do tego, aby emitować (stąd nazwa) nośniki ładunku elektrycznego w głąb 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. 1

2 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: Na tej podstawie można stwierdzić, że tranzystor jest elementem sterowanym: zmieniając prąd bazy, czyli ilość odprowadzanych elektronów, regulujemy prąd kolektora. Później przekonasz się, jakie to ma konsekwencje. Stosunek tych dwóch prądów to wzmocnienie prądowe i oznacza się je grecką literą β (beta). Jest to wielkość nieposiadająca jednostki. β = I C / I B 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 h FE. Wielkość tego parametru może wynosić od kilkunastu do kilku tysięcy, zależnie od typu tranzystora. 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, 2

3 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. Pierwszy układ wykorzysta tranzystor w roli bardzo prostego klucza sterującego świeceniem diody. Do złożenia układu potrzebne są następujące elementy: o tranzystor BC546B o rezystory 1kΩ i 10kΩ o dioda świecąca o bateria 9V z przewodami o płytka stykowa o miernika uniwersalny Wykorzystany tutaj tranzystor jest typu NPN. Układ jego wyprowadzeń jest następujący (możesz wspomagać się również przekrojem z początku artykułu): Schemat połączeń przedstawiony jest poniżej. Miejsca oznaczone jako amperomierze i woltomierze możesz na początku pominąć. Dopiero w dalszym kroku będziemy badać odpowiednie właściwości tranzystora. W praktyce układ wygląda tak, jak zdjęciu. Jak widać efektem tego połączenia jest świecenie diody. 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 kolektora, w szereg z którym włączona jest dioda. Rezystor (1kΩ) ogranicza prąd płynący przez tę diodę (aby nie uległa uszkodzeniu patrz zajęcia E03 podstaw elektroniki). Jeżeli układ już działa, to można wykonać na nim kilka pomiarów. Na początku napięcia, które zaznaczone zostały na schemacie: 3

4 Widok zmontowanego układu. Podłączając woltomierz między emiter a kolektor zmierzysz napięcie kolektoremiter. Podłączając woltomierz między bazę a emiter zmierzysz napięcie baza-emiter. Włączając miliamperomierz szeregowo z rezystorem Włączając miliamperomierz szeregowo z rezystorem 10kΩ zmierzysz prąd bazy. 1kΩ zmierzysz prąd kolektora. Teraz pora na ciekawszy pomiar, czyli pomiar prądu. Pamiętaj, że ta operacja może wymagać fizycznego przełączenia przewodów w Twoim mierniku. Wyniki pomiarów można zebrać w tabelę: 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. Przeprowadźmy proste obliczenie: znamy prąd bazy, znamy wzmocnienie prądowe policzmy, jaki prąd powinien płynąć przez kolektor, aby nie był on nasycony: 4

5 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. Co się stanie, kiedy odłączysz rezystor 10kΩ od bazy? Albo podłączysz go do minusa baterii? Dioda gaśnie, ponieważ przez bazę przestaje płynąć prąd. 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 prościej się nie da 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). Prąd przepływający przez bazę najczęściej ograniczany jest rezystorem 10kΩ Inaczej mówiąc, przepływ dużego prądu możemy aktywować przez rezystor: o masą układu (GND) w przypadku PNP o dodatnim zasilaniem (VCC) w przypadku NPN W praktyce układ sterujący diodą na tranzystorze każdego typu wygląda tak, jak poniżej: Koniecznie podłącz oba obwody! Nie powinieneś mieć już żadnego problemu z samodzielnym przeniesieniem układu na płytkę stykową. Do przeprowadzeniu testu wykorzystaj tranzystor BC546 (NPN) oraz BC556 (PNP). Zadanie 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. 5

6 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. Tranzystor MOSFET BS170 jest tranzystorem unipolarny MOSFET z kanałem typu N. 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 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 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. 6

7 Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Czym jest tranzystor? Imię i nazwisko Nr ćw E04 Data wykonania Klasa 2TEZ Grupa Zespół OCENY Przygotowanie Wykonanie Ogólna Cel ćwiczenia: Odpowiedz na pytania. 1. Wymień rodzaje tranzystorów? 2. Wymień parametry tranzystorów. 3. Jak nazywają się elektrody tranzystora bipolarnego a jak unipolarnego. 4. Jakie znasz rodzaje połączeń tranzystorów? 5. Opisz zasadę działania tranzystora. PLAN DZIAŁANIA Przykład praktyczny Potrzebne będą: o płytka stykowa o bateria 9V wraz z klipsem o tranzystory bipolarne NPN o rezystor o wartości, R 1 =330Ω i R 2 =1kΩ, R 3 =10kΩ o przewody do płytki stykowej Wykonaj zadanie i napisz wnioski Zadanie 1 Wykonaj pomiary dla połączenia z tranzystorem PNP analogicznie do wcześniejszych pomiarów przeprowadzonych dla NPN. Wynikami oraz spostrzeżeniami podziel się w komentarzu! Zadanie 2 Zbudujemy prosty projekt. Będzie to pierwsze działające urządzenie, które stworzysz samodzielnie z garstki elementów. Wykonamy teraz przerzutnik bistabilny. O przerzutnikach można napisać wiele. My nie będziemy się zagłębiać w szczegóły. Ten projekt powinien jedynie zainteresował Cie dalszym poznawaniem elektroniki. Do tej pory elementy, które łączyłeś na płytce nie wykazywały żadnej inteligencji. Dioda świeciła, gdy podłączyłeś odpowiednio zasilanie, a tranzystor przewodził w momencie, gdy przez jego bazę przepływał stosowny prąd. W momencie odłączenia styków układ przestawał działać. Przerzutnik bistabilny będzie działał inaczej! Układ ten, mówiąc w uproszczeniu, będzie miał dwa stany i będzie niejako pamiętał ten ostatni. Brzmi zawiłe? W praktyce chodzi o układ z dwiema diodami. Gdy jeden punkt układu zewrzemy za pomocą przewodu z masą, to zapali się pierwsza dioda. Po odłączeniu tego przewodu dioda nadal będzie świeciła! Zgaśnie, gdy masa zostanie połączona z innym punktem układu. Na schemacie miejsca te zostały zaznaczone jako dwa styczniki. Czyli spróbuj samodzielnie zrozumieć jak działa ten układ. Możesz wesprzeć się książkami lub Internetem. 7

8 Przerzutnik bistabilny w praktyce. WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 8