Tranzystor bipolarny – zasada działania i punkt pracy

Budowa tranzystora bipolarnego: NPN i PNP

Tranzystor bipolarny to element półprzewodnikowy złożony z trzech warstw o różnym typie przewodnictwa. W zależności od ich układu wyróżniamy tranzystory n-p-n i p-n-p. Tranzystor ma trzy wyprowadzenia:

• B – baza (elektroda sterująca),
• C – kolektor,
• E – emiter.

Podstawowym zadaniem tranzystora jest wzmacnianie: niewielki prąd bazy (rzędu mikroamperów) steruje znacznie większym prądem kolektora i emitera (rzędu miliamperów). Tranzystor pracuje też jako klucz (włącznik) – np. do sterowania przekaźnikiem lub diodą LED.

Często spotyka się uproszczony model tranzystora jako dwóch diod połączonych przeciwsobnie (B-E i B-C). Przydaje się on przy sprawdzaniu tranzystora miernikiem, ale nie tłumaczy, dlaczego tranzystor wzmacnia.

Jak działa tranzystor

Dokładny opis wymaga fizyki ciała stałego, ale do praktycznych zastosowań wystarczy ogólna zasada. Weźmy tranzystor n-p-n:

1. Złącze baza–emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, więc elektrony z emitera (obszar n) przechodzą do bazy (obszar p), a dziury z bazy do emitera.
2. W bazie elektrony są nośnikami mniejszościowymi. Baza jest bardzo cienka, dlatego tylko niewielka część elektronów rekombinuje z dziurami – to one tworzą mały prąd bazy.
3. Pozostałe elektrony docierają w pobliże złącza baza–kolektor (spolaryzowanego zaporowo) i są „przechwytywane” przez pole elektryczne do kolektora – tak powstaje duży prąd kolektora.

Wzmocnienie prądowe α i β

Prąd emitera jest sumą prądu kolektora i bazy:

I_E = I_C + I_B

Stosunek prądu kolektora do prądu emitera to współczynnik α. Dla większości tranzystorów wynosi ok. 0,99, dlatego w prostych obliczeniach przyjmujemy, że I_C ≈ I_E.

α = I_C / I_E ≈ 0,99

Znacznie częściej używamy współczynnika wzmocnienia prądowego β (w katalogach także h_FE) – mówi on, ile razy prąd kolektora jest większy od prądu bazy:

β = I_C / I_B = α / (1 − α)

Dla α = 0,99 otrzymujemy β = 99; typowe tranzystory małej mocy mają β od ok. 100 do kilkuset. Pomijamy tu niewielki prąd zerowy złącza kolektor–baza (I_CBO) – silnie zależy on od temperatury, ale w krzemowych tranzystorach małej mocy do ok. 70–80 °C można go zaniedbać.

Polaryzacja złączy

Aby tranzystor n-p-n przewodził, baza musi mieć potencjał wyższy od emitera o ok. 0,6–0,7 V (dla krzemu przyjmujemy w obliczeniach 0,65 V). W tranzystorze p-n-p jest odwrotnie – potencjał bazy jest niższy od potencjału emitera.

Cztery zasady do obliczeń

1. Prąd kolektora jest w przybliżeniu równy prądowi emitera: I_C ≈ I_E.
2. Prąd kolektora jest β razy większy od prądu bazy: I_C = β · I_B.
3. Spadek napięcia na złączu baza–emiter wynosi ok. U_BE = 0,65 V.
4. Dla tranzystora małej mocy we wzmacniaczu przyjmuje się zwykle prąd kolektora rzędu 1 mA.

Przykład 1: dobór rezystorów wzmacniacza

Dane: U_CC = 15 V, β = 300, zakładany prąd emitera I_E = 1 mA. Chcemy, aby na rezystorze emiterowym R_E odkładało się ok. 2 V – to sprawdzona praktyka, która stabilizuje punkt pracy.

1. Prąd bazy: I_B = I_C / β ≈ 1 mA / 300 ≈ 3,3 µA – bardzo mały.
2. Rezystor emiterowy: R_E = U_E / I_E = 2 V / 1 mA = 2 kΩ.
3. Napięcie bazy: U_B = U_E + U_BE = 2 + 0,65 = 2,65 V.
4. Dzielnik R1/R2: żeby prąd bazy nie „rozjeżdżał” dzielnika, przez dzielnik powinien płynąć prąd ok. 10 razy większy od I_B; przyjmijmy 50 µA. Wtedy R2 = 2,65 V / 50 µA ≈ 53 kΩ → wybieramy 51 kΩ (szereg E24), a R1 = (15 − 2,65) V / 53 µA ≈ 232 kΩ → 240 kΩ. Sprawdzenie: U_B = 15 · 51 / (240 + 51) ≈ 2,63 V – zgadza się.
5. Rezystor kolektorowy: aby sygnał mógł się „wahać” w obie strony, napięcie kolektora ustawiamy mniej więcej w połowie między U_E a U_CC. Dla spadku ok. 6,5 V na R_C: R_C = 6,5 V / 1 mA ≈ 6,5 kΩ → 6,8 kΩ.

Wynik: R1 = 240 kΩ, R2 = 51 kΩ, R_C = 6,8 kΩ, R_E = 2 kΩ. Napięcie kolektora wynosi ok. 15 − 6,8 = 8,2 V, a U_CE ≈ 6,2 V – tranzystor pracuje w zakresie aktywnym.

Przykład 2: wyznaczanie punktu pracy

Teraz odwrotnie: znamy elementy i liczymy napięcia i prądy. Dane: U_CC = 12 V, R1 = 100 kΩ, R2 = 22 kΩ, R_C = 4,7 kΩ, R_E = 1 kΩ, β = 200.

1. Napięcie bazy (z dzielnika): U_B = 12 · 22 / (100 + 22) ≈ 2,16 V.
2. Napięcie emitera: U_E = U_B − 0,65 ≈ 1,51 V.
3. Prąd emitera: I_E = U_E / R_E ≈ 1,51 mA, czyli także I_C ≈ 1,51 mA.
4. Spadek na R_C: U_RC = I_C · R_C ≈ 1,51 mA · 4,7 kΩ ≈ 7,1 V. Uwaga: to nie jest napięcie kolektora, tylko różnica potencjałów na końcach rezystora!
5. Napięcie kolektora (względem masy): U_C = U_CC − U_RC ≈ 12 − 7,1 = 4,9 V.
6. Napięcie kolektor–emiter: U_CE = U_C − U_E ≈ 4,9 − 1,51 ≈ 3,4 V.
7. Prąd bazy: I_B = I_C / β ≈ 1,51 mA / 200 ≈ 7,6 µA – kilkanaście razy mniej niż prąd dzielnika (ok. 98 µA), więc uproszczenie jest uzasadnione.

Sprawdzenie: suma napięć U_RE + U_CE + U_RC ≈ 1,51 + 3,4 + 7,1 ≈ 12 V = U_CC. Jeśli suma się nie zgadza – gdzieś jest błąd.

Pamiętaj: napięcie zawsze jest różnicą potencjałów. Mówiąc „napięcie na rezystorze”, mamy na myśli różnicę potencjałów między jego końcami, a mówiąc „napięcie na kolektorze” – różnicę potencjałów między kolektorem a masą układu.