Tranzystory bipolarne

Tranzystor bipolarny jest elementem elektronicznym składającym się z trzech warstw półprzewodnikowych różniących się typem przewodnictwa. Rozróżnia się dwa typy tranzystorów bipolarnych p-n-p oraz n-p-n. Oznaczamy je tak jak przedstawiono to na rysunku obok.

Tranzystor jest trójnikiem (to znaczy ze ma trzy wyprowadzenia) o odpowiednich nazwach

B- baza , C- kolektor , E-emiter. Ogólnym zastosowaniem tranzystora jest wzmacnianie sygnały wpływającego do bazy (rzędu mikro amper) do sygnałów rzędu miliamper (emiter, kolektor). Istnieje wiele zastosowań tranzystorów, z których kilka omówimy po uprzednim zapoznaniu czytelnika z samym tranzystorem.

Prostym schematem zastępczym tranzystora mogą być dwie diody połączone szeregowo. Nie jest to jednak dobry schemat zastępczy gdyż nie tłumaczy samej zasady działania tranzystora.

Do szczegółowego zrozumienia sposobu działania tranzystora czytelnik musiałby zapoznać się z fizyką ciała stałego oraz fizyką kwantową. Jednak aby wykorzystywać tranzystor jako element elektroniczny oraz rozumieć ogólną zasadę jego działania wiedza ta nie jest niezbędna. Na rysunku 4. pokazany jest rozpływ prądów w tranzystorze typu n-p-n. Na czerwono oznaczony jest przepływ elektronowy (przepływ elektronów) a na niebiesko przepływ dziurowy („przepływ” dziur). Ponieważ złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia z obszaru p następuje przepływ dziur do obszaru n emitera. Jednocześnie następuje przepływ elektronów z obszaru n (emitera) do obszaru p (bazy). W obszarze p elektrony są nośnikami mniejszościowymi. W obszarze p występuje duża liczba dziur, z którymi łączą się niektóre elektrony. Pozostałe elektrony będące w pobliżu złącza baza-kolektor przesuwane są do obszaru n (kolektora).

Przejdziemy teraz do omówienia poszczególnych parametrów tranzystora. Jednym z nich jest współczynnik wzmocnienia prądowego, który dla dużych sygnałów definiowany jest jako

(1.0a)

gdzie - prąd złącza kolektorowego dla zerowego prądu bazy ,

- prąd emitera, - prąd nośników mniejszościowych generowanych w obszarze warstwy spolaryzowanej zaporowo B-C. Prąd ten silnie zależy od temperatury jednak w przypadku temperatury złącza w granicach 70-80C dla tranzystorów krzemowych małej mocy może zostać pominięty.

Ponieważ można pominąć, zatem możemy zapisać :

(1.0b)

Ponieważ współczynnik dla większości tranzystorów jest równy ok. 0,99 zatem możemy z dobrym przybliżeniem powiedzieć, że prąd kolektora jest równy prądowi emitera. Nie jest to może najlepsze przybliżenie jednak do projektowania prostych układów elektronicznych bardzo dobre a przede wszystkim bardzo pomocne. Zatem zapiszemy:

(1.0c)

Można zapisać także równanie:

(1.1)

Wyznaczając z równanie (1.0a) i wstawiając do równanie (1.1) otrzymujemy:

(1.2a)

(1.2b)

Kolejnym parametrem jest wzmocnienie prądowe, które definiuje się jako:

(1.3)

Zatem równanie (1.2 b) można zapisać jako:

(1.4)

Pomijając wartość która dla tranzystorów krzemowych jest pomijalnie mała otrzymujemy:

(1.5)

Jest to tzw. wzmocnienie prądowe statyczne.

Dla słabych sygnałów (wzmocnienie prądowe) definiuje się jako:

(1.6)

i jest to tzw. wzmocnienie prądowe dynamiczne.

Kolejnym ważnym parametrem tranzystora jest tzw. „różniczkowa rezystancja wyjściowa”:

(1.7)

Dla większych prądów kolektora rezystancja zmienia się w przybliżeniu liniowo a zatem możemy zapisać:

(1.8)

gdzie - jest to tzw. współczynnik Early’ego, który można wyznaczyć doświadczalnie.

Dzięki niemu można wyznaczyć rezystancję wyjściową dla różnych prądów kolektora.

Parametrem związanym z charakterystyką wejściową jest tzw. „różniczkowa rezystancja wejściowa”. Definiuje się ją jako:

(1.9)

Korzystając z definicji wzmocnienia prądowego oraz wzoru na transkonduktancję

Powyższy wzór można zapisać jako:

(1.10)

gdzie - potencjał termiczny elektronu (dla temperatury pokojowej wynosi 26mV)

Ważnym elementem w omawianiu tranzystora jest tzw. prosta obciążenia. Opisana jest ona wzorem:

(1.11)

Aby wrysować tą prostą w wykresy charakterystyki wyjściowej tranzystora należy powyższe równanie rozwiązać dla dwóch przypadków: oraz . W ten sposób otrzymamy dwa punkty przez, które można przeprowadzić prostą obciążenia.

Również ważnym parametrem tranzystora jest wzmocnienie napięciowe definiowane jako:

(1.12)

Tak zdefiniowane wzmocnienie podaje się w jednostkach [V/V] (wolt przez wolt). Aby otrzymać wzmocnienie w dB (decybelach) wystarczy skorzystać ze wzoru:

Nie powiedzieliśmy do tej pory jeszcze jednej bardzo ważnej rzeczy. A mianowicie, że na złączu baza- esmiter (dla n-p-n) następuje spadek napięcia. Spadek ten jest taki sam jak na zwykłym złączu (p-n) (gdyż takim właśnie złączem jest baza-emiter) i wynosi od 0,2 V do 0,4 V dla tranzystorów germanowych oraz 0,6-0,8 dla tranzystorów krzemowych (czyli tych, które spotykamy najczęściej w obwodach elektronicznych). W przypadku tranzystorów p-n-p spadek napięcia występuje w kierunku przeciwnym to znaczy w kierunku bazy (potencjał na bazie jest niższy od potencjału na emiterze)

Przed przystąpieniem do analizy jakiegokolwiek układu musimy podsumować nasze wiadomości na temat tranzystora. Aby policzyć rozpływ prądów i rozkład napięć musimy pamiętać o następujących zależnościach:

(1) prąd kolektora jest w przybliżeniu równy prądowi emitera

(2) prąd kolektora jest razy większy od prądu bazy

(3) Spadek na złączu baza emiter jest równy 0,65 V (tak przyjmujemy)

(4) natężenie kolektora w przypadku pracy tranzystora powinno być równe ok. 1mA.

Zadanie 1

Spróbujmy teraz przeanalizować najprostszy układ wzmacniający z wykorzystaniem jednego tranzystora typu n-p-n. Wiedząc, że napięcie Ucc=15V (jest to tzw. napięcie zasilania tranzystora i jest ono zazwyczaj równe właśnie 15V) a współczynnikpostaramy się dobrać tak opory R1,R2,R3 i R4 aby tranzystor znajdował się w punkcie pracy (mówiąc ogólnie aby pracował poprawnie).

1. Zakładamy, że natężenie na emiterze musi być równe ok. 1mA zatem możemy wyliczyć prąd bazy.

Jak widzimy prąd bazy jest bardzo mały zatem możemy go pominąć.

2. Teraz przyjmujemy, że na oporniku R4 ma być napięcie 2V (wiem, że założenie to jak każde inne założenie może dziwić, ale jest ono w pełni uzasadnione i można je w tych układach z powodzeniem stosować). Znając, zatem prąd emitera oraz napięcie możemy wyznaczyć opornik R4:

Znamy zatem wartość oporu R4.

3. Następnie wiedząc, że napięcie na emiterze jest równe 2V (tak założyliśmy) możemy powiedzieć, że napięcie na bazie jest równe 2,65V (ponieważ spadek na złączu baza-emiter jest równy 0,65V w przypadku tranzystorów krzemowych).

4. Teraz korzystając z dzielnika napięciowego lub jak kto woli z tzw. metody potencjałów węzłowych, możemy wyznaczyć napięcie na bazie. Traktujemy połączenie oporników R3 oraz R4 jako połączenie szeregowe i zapominamy na chwilę o całej reszcie układu. Do oporników tych doprowadzone jest napięcie Ucc. Zatem:

Z punktu (3) wiemy jednocześnie, że napięcie bazy jest równe 2,65V zatem

Widzimy zatem, że opornik R3 musi mieć około 5 razy większą oporność niż R1. Ponieważ opory na wejściu powinny być większe niż na wyjściu możemy przyjąć, że opór R1 ma mieć około zatem opór R3 musi mieć około .

Znamy już, zatem opory R1,R3 oraz R4.

5. widząc, że napięcie na oporniku R4 jest równe 2V oraz zakładając, że spadek na tranzystorze jest równy nie mniej niże 2V (przynajmniej chcielibyśmy aby spadek ten nie przewyższał 2V) pozostaje nam 11V na opornik R2 (ponieważ 15V -2V-2V=11V)

Zatem możemy wyznaczyć opór R2.

Podsumowując, zatem znamy wszystkie wartości oporów:

Przy tak dobranych oporach tranzystor będzie znajdował się w pewnym punkcie pracy czyli mówiąc ogólnie będzie działał poprawnie.

Zadanie 2

Spróbujmy odwrócić teraz zadanie i powiedzieć, że mamy dane opory i należy wyznaczyć punkt pracy, czyli wszystkie napięcia i natężenia w obwodzie.

Postępujmy w sposób następujący:

1. Obliczamy napięcie bazy (korzystając z dzielnika napięciowego lub metody potencjałów węzłowych)

2. Wiedząc, że spadek napięcia baza-emiter jest równy 0,65V(założyliśmy tak dla tranzystorów krzemowych) otrzymujemy napięcie emitera:

3. Znając napięcie na emiterze możemy policzyć natężenie na oporniku R4 :

Natężenie to jest równe natężeniu emitera oraz w przybliżeniu równe jest także natężeniu kolektora (ponieważ przyjęliśmy, że )

4. Znając natężenie kolektora możemy zatem policzyć napięcie na oporniku R2:

Uwaga! Nie należy jednak mylić tego napięcia z napięciem kolektora, które dopiero za chwilę wyznaczymy. Napięcie U2 jest jedynie spadkiem napięcia na oporniku (czyli różnicą potencjałów pomiędzy końcami opornika).

Dygresja : Należy pamiętać, że napięcie jest różnicą potencjałów pomiędzy poszczególnymi punktami. Kiedy mówimy o napięciu na oporniku mamy na myśli różnicę potencjałów pomiędzy jego końcami. Gdy natomiast mówimy napięcie w punkcie np. na kolektorze mamy na myśli różnicę potencjałów pomiędzy tym punktem a masą całego układu.

Napięcie na kolektorze jest równe Ucc pomniejszonemu o wartość spadku napięcia U2 na oporniku R2. Zatem:

Znając teraz napięcie na kolektorze możemy wyznaczyć spadek napięcia na tranzystorze (na złączu kolektor-emiter)

Teraz pozostaje jeszcze tylko obliczyć prąd bazy, który jest 300 razy mniejszy od prądu emitera. (ponieważ )

Podsumujmy zatem mamy wszystkie napięcia oraz wszystkie natężenia prądów:

Na koniec warto jest także sprawdzić czy aby na pewno suma napięć U4 Uce oraz U2 jest równa Ucc. Jeżeli nie jest to znaczy, że gdzieś się pomyliliśmy.

To by było na razie wszystko, jeśli chodzi o podstawowe informacje na temat tranzystorów bipolarnych.