Tranzystory i ich zastosowania

Transkrypt

1 Tranzystory i ich zastosowania Nie wszystkie elementy obwodu elektrycznego zachowują się jak poznane na lekcjach rezystory (oporniki omowe). Większość używanych elementów ma zmienny opór. Jak się tak bliżej przyjrzeć, to, w zasadzie, rezystory stosowane w elektronice są jedynymi elementami mającymi stały opór. Nawet zwykła żarówka zwiększa opór gdy się rozgrzewa (to dlatego żarówki zazwyczaj przepalają się przy włączaniu). Innym elementem o zmiennym oporze jest dioda półprzewodnikowa na której, jeśli przewodzi występuje zawsze stałe napięcie (w odróżnieniu od diody próżniowej którą charakteryzuje prąd maksymalny). Dziś zajmiemy się tranzystorem elementem który rozpoczął prawdziwą rewolucję w elektronice. Choć układy elektroniczne zbudowane na pojedynczych tranzystorach należą obecnie do rzadkości, to właśnie tranzystor jest podstawowym elementem składowym układów scalonych. Tranzystor ma trzy wyprowadzenia: bazę (B), kolektor (C) i emiter (E). Bazę i kolektor możemy traktować jak wejście prądu, natomiast emiter wyjście przez które płynie suma prądów kolektora i bazy. Mówimy to u natężeniu prądu a nie o napięciu to ważne, bo tranzystor zachowuje się jak wzmacniacz natężenia prądu. Przerobienie go na wzmacniacz napięcia wymaga paru dodatkowych elementów. Tranzystor wzmacnia prąd. Natężenie prądu płynącego przez kolektor, jest proporcjonalne do natężenia prądu płynącego przez bazę. Zmieniając prąd bazy możemy modyfikować prąd kolektora, jednak nie odwrotnie. Jeśli ograniczymy prąd kolektora dodatkowym opornikiem o odpowiednio dużym oporze, to prąd bazy się nie zmieni, lecz tranzystor będzie się zachowywał tak, jakby między kolektorem i emiterem było zwarcie. Mówimy wtedy że tranzystor jest nasycony. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy (poza sytuacją nasycenia) jest stały i nazywa się wzmocnieniem prądowym tranzystora. Wzmocnienie oznacza się grecką literą β. Wartość wzmocnienia może mieścić się w zakresie i może mieć bardzo różną wartość także dla tranzystorów tego samego typu. Prąd bazy możemy regulować łącząc ją ze źródłem napięcia poprzez opornik o zmiennym oporze P B. Jeśli tranzystor pracuje jako wzmacniacz prądowy to napięcie pomiędzy bazą a emiterem U BE jest stałe i dla tranzystorów krzemowych wynosi około 0,6 V. Stosując tranzystor powinniśmy uważać by nie przekroczyć dopuszczalnych napięć i prądów, a także, by na tranzystorze nie wydzielała się zbyt duża moc. Wszystkie te czynniki mogą doprowadzić do zniszczenia tranzystora. Dlatego w układach elektronicznych tranzystorom towarzyszą rezystory które ograniczają maksymalne prądy, oraz zgodnie z prawem Oma pozwalają przetłumaczyć natężenie prądu na napięcie i odwrotnie.

2 Ładowarka do akumulatorków źródło prądowe Akumulatorki powinny być ładowane stałym prądem, dlatego do ich ładowania najlepsze będzie źródło prądowe, zbudowane na tranzystorze. Baza tranzystora jest podłączona do dzielnika napięcia zbudowanego na oporniku oraz dwóch diodach. Ze względu na to, że na diodzie występuje stały spadek napięcia (około 0,6V), na takim dzielniku będzie występowało stałe napięcie wynoszące około 1,2 V bez względu na napięcie zasilania. Wymuszenie na bazie napięcia 1,2 V, oznacza, że na jego emiterze wystąpi napięcie niższe o napięcie złącza baza-emiter czyli 0,6 V. Jeśli włączymy między emiter a masę opornik R będzie na nim występowało stałe napięcie właśnie 0,6V. Prąd płynący przez emiter będzie zależny od tego oporu. Jeśli napięcie baza emiter będzie wyższe niż napięcie przewodzenia złącza, zacznie płynąć przez nią większy prąd, zwiększając prąd kolektora, co daje taki efekt jak zmniejszenia oporu jaki ma tranzystor pomiędzy kolektorem i emiterem, co zwiększa potencjał emitera. Gdy jest on wyższy, złącze baza emiter przestaje przewodzić, zmniejszając prąd kolektora, co prowadzi do zmniejszenia potencjału bazy. Prąd emitera to suma prądu bazy oraz prądu kolektora. Ponieważ prąd kolektora jest znacząco większy od prądu bazy (tyle razy ile wynosi wzmocnienie prądowe tranzystora), możemy założyć, że prąd emitera odpowiada prądowi kolektora. Spadek napięcia między kolektorem i emiterem będzie zależał od podłączonego obciążenia, i może być, w przypadku zwarcia niemal równe napięciu zasilania. Moc jaka się wydzieli na tranzystorze w postaci ciepła będzie równa temu napięciu pomnożonemu przez prąd kolektora. Ta moc może być na tyle duża, że może doprowadzić do uszkodzenia tranzystora. Układ po zmontowaniu możemy sprawdzić łącząc w miejsce akumulatorków miliamperomierz i zmieniając napięcie zasilania. W zakresie od 3 do 12 V miernik powinien wskazywać stałą wartość.

3 Stabilizator napięcia Aby obniżyć napięcie, możemy posłużyć się dzielnikiem oporowym. Niestety, jeśli podłączymy do niego odbiornik, popłynie przez niego prąd, który zaburzy działanie dzielnika. Im większy prąd będzie płynął przez rezystancję obciążenia tym niższe będzie na niej napięcie. Dlatego do stabilizowania napięcia potrzebujemy czegoś co nie będzie się zachowywać jak opornik potrzebujemy tranzystora. Wykorzystamy fakt, że tranzystor powtarza na emiterze potencjał bazy przesunięty o 0,6 V (czyli o napięcie złącza bazaemiter). Jeśli ustalimy napięcie bazy, będzie ona tak sterowała prądem kolektora, by napięcie na emiterze było o 0,6 V niższe. Jeśli napięcie baza emiter będzie wyższe niż napięcie przewodzenia złącza, zacznie płynąć przez nią większy prąd, zwiększając prąd kolektora, co daje taki efekt jak zmniejszenie oporu jaki ma tranzystor pomiędzy kolektorem i emiterem, co zwiększa potencjał emitera. Gdy jest on wyższy, złącze baza emiter przestaje przewodzić, zmniejszając prąd kolektora, co prowadzi do zmniejszenia potencjału bazy. Jeśli potrzebujemy wyższych napięć można zastosować więcej diod, a jeśli napięcie wyjściowe stabilizatora ma być stałe można zastosować specjalną diodę diodę Zenera. Pamiętajmy, że im większa będzie różnica napięć przed i za stabilizatorem, i im większy będziemy pobierali prąd tym większa moc się wydzieli na tranzystorze w postaci ciepła. Przy dużych prądach musimy użyć specjalnego rodzaju tranzystora i zadbać o dobre odprowadzanie ciepła. Bardziej zaawansowane stabilizatory zawierają więcej tranzystorów, pozwalających na dodatkowe ograniczenie prądu, albo wyłączenie napięcia gdy tranzystory się przegrzeją.

4 Detektor ładunku Łącząc kilka tranzystorów, tak, że wzmocniony prąd płynący przez emiter, będzie zasilał bazę następnego tranzystora, uzyskujemy wzmocnienie prądowe będące iloczynem wzmocnień obu tranzystorów. Przy typowym wzmocnieniu wynoszącym około 200 przy dwóch tranzystorach możemy uzyskać razy większy prąd. Przy trzech Jeśli do zasilania diody świecącej wystarczy nam 10 ma, to zaświeci się ona, gdy do bazy pierwszego tranzystora doprowadzimy prąd 1 pa. Łączenie większej liczby tranzystorów nie ma sensu, ponieważ tak niewielkie prądy tranzystor może przewodzić nawet bez wysterowanej bazy. Ponadto każdy element obwodu trochę szumi. Związane jest to z losowym rozpraszaniem elektronów na drganiach sieci krystalicznej przewodnika. Dlaczego jednak dioda się zapala gdy dotykamy wejścia detektora? Dlatego, że działamy jak antena, w której indukuje się prąd elektryczny pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego które nas otacza. Prąd ten jest dla nas niewyczuwalny i podobno nieszkodliwy jednak po wzmocnieniu go kilka milionów razy bez problemu możemy zobaczyć jego efekty. Jeśli z naszego detektora chcemy zrobić detektor ładunku statycznego wejście pierwszego tranzystora łączymy przez opornik 10 MΩ z sondą detektora. Opornik ten ograniczy prąd rozładowania, pozwalając na powolniejszy proces utraty ładunku przez ciało naładowane. Oporniki w układzie są konieczne by ograniczyć prądy kolektorów, a także by odizolować tranzystor od zasilania, powodując zawieszenie bazy.

5 Alarm Tranzystor może mieć jedną z dwu polaryzacji. Tranzystor npn przewodzi gdy do jego bazy doprowadzić prąd z dodatniego, a pnp z ujemnego bieguna zasilania. Dwa takie tranzystory można połączyć tak, że będą się nawzajem podtrzymywały. Potrzebny będzie tylko impuls by je włączyć, i będą przewodzić aż do wyłączenia zasilania. Przyjrzyjmy się układowi pokazanemu na schemacie. Pętla z cienkiego przewodu zabezpiecza strzeżony alarmem teren. Anoda diody ma potencjał masy i dioda nie przewodzi. Baza tranzystora npn nie jest więc przez nią zasilana i tranzystor nie przewodzi. Jeśli na chwilę rozerwiemy pętle z drutu, anoda diody będzie miała potencjał bliski napięciu zasilania, i tranzystor zacznie przewodzić, co spowoduje połączenie bazy tranzystora pnp do masy czyli ujemnego bieguna zasilania, co włącza ten tranzystor w stan przewodzenia. Teraz nawet gdy połączenie pętli alarmowej zostanie przywrócone, to baza tranzystora pnp będzie zasilana przez otwarty tranzystor pnp. Opornik przy diodzie święcącej ogranicza prąd płynący przez tranzystory. To dość istotne, bo dla tranzystorów małej mocy maksymalny prąd bazy jest niższy niż prąd kolektora, i łatwo go przekroczyć niszcząc tranzystor.

6 Migacz Tranzystor może pracować także jako przełącznik. Przy wystarczająco dużym prądzie bazy, prądu kolektora nie będzie ustalał tranzystor, lecz inne elementy ograniczające prąd w obwodzie (na przykład opornik). Jeśli jako wysoki poziom napięcia wartość logiczną 1, a niskie napięcie 0. Układ z jednym tranzystorem może działać jako negator układ realizujący logiczna negację wartości podanej na wejście. Dwa negatory można połączyć w przerzutnik układ który może się znajdować tylko w jednym z dwóch stanów. Stan można zmienić podając prąd na bazę jednego lub drugiego tranzystora, lecz przerzutnik będzie pamiętał swój stan, także gdy dodatkowy sygnał zaniknie. Poszczególne negatory podtrzymują nawzajem zwój stan. Jeśli jednak prąd zasilający bazę włączonego (czyli przewodzącego) tranzystora będzie zanikał w czasie tranzystor w końcu się zamknie i zmieni stan przerzutnika. Taki zanik prądu można uzyskać stosując zamiast opornika ograniczającego prąd bazy kondensator, przez który płynie prąd tak długo, aż tranzystor się nie naładuje. Prąd w poszczególnych gałęziach przerzutnika możemy wykazać przy użyciu diod elektroluminescencyjnych (LED). Dodatkowe oporniki pozwalają rozładować kondensator gdy odpowiadająca mu gałąź przerzutnika jest wyłączona.

7 Przerzutnik Tranzystor może pracować także jako przełącznik. Przy wystarczająco dużym prądzie bazy, prądu kolektora nie będzie ustalał tranzystor, lecz inne elementy ograniczające prąd w obwodzie (na przykład opornik). Jeśli jako wysoki poziom napięcia wartość logiczną 1, a niskie napięcie 0. Układ z jednym tranzystorem może działać jako negator układ realizujący logiczna negację wartości podanej na wejście. Taki dodatkowy impuls jest tworzony w układzie złożonym z kondensatora diody i opornika. Kondensator przepuszcza prąd tylko przez czas ładowania, opornik polaryzuje kondensator, tak, by przy przyjściu impulsu kondensator przepuścił go (gdy nie jest naładowany) lub nie przepuścił gdy jest naładowany. Do wejścia przyłączone są dwa takie układy sterujące odpowiednio jedną lub drugą gałąź przerzutnika. Dwa negatory można połączyć w przerzutnik układ który może się znajdować tylko w jednym z dwóch stanów. Stan można zmienić podając prąc na bazę jednego lub drugiego tranzystora, lecz przerzutnik będzie pamiętał swój stan, także gdy dodatkowy sygnał zaniknie. Każdy impuls podany na wejście zmienia stan przerzutnika. Prąd w poszczególnych gałęziach przerzutnika możemy wykazać przy użyciu diod elektroluminescencyjnych (LED).