TRANZYSTOR BIPOLARNY

Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję.

Tranzystor

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów,które różnią się zasadniczo zasadą działania:

1. Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe).

2. Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe).

Jakub Dawidziuk sobota 22 kwietnia 2023

Tranzystory - rodzaje

Ideatranzystorabipolarnego

Tranzystory(jako elementy dyskretne)

Tranzystory

PODSTAWY ELEKTRONIKI – Jakub Dawidziuk 20 października 2006

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego pnp

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego npn

Budowa tranzystora bipolarnego npn

Tranzystor bipolarny - zasada działania

Tranzystor npn

Tranzystor pnp

Zastosowania tranzystorów

Zastosowania tranzystorów: łącznik

Łącznik tranzystorowy (npn)

Łącznik tranzystorowy (pnp)

Obszary pracy tranzystora npn

Polaryzacja normalna

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:•stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym, •stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia, •stan aktywny (normalny): złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, •stan aktywny inwersyjny (inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset).

Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

Stany pracy tranzystora

UCB

UBE

UCE

prze

wod

ziza

tkan

e

Nie mylić prądu kolektora IC z prądem diody baza-kolektor.

IB

Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące warunki:

•dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera, •dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera, •„dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym, •nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC, IB, UCE, moc wydzielana na kolektorze IC· UCE, temperatura pracy czy też napięcie UBE.

Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać:

gdzie hFE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą. Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300A/A dla tego samego typu tranzystora, a więc nie jest dobrym parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu.

IC=hFE· IB=·IB

npn pnp

Tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria EC), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria EB)

Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego (złącze E). Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor-baza (złącze C) są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza.

Rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n IB1 oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p IB2.

Tranzystor bipolarny (BJT) npn – układy połączeń

Tranzystor bipolarny (BJT) pnp – układy połączeń

 Wzmocnienie napięciowe ku

Wzmocnienie prądowe ki

Wzmocnienie mocy kp

Rezystancja wejściowe RI

Rezystancja wyjściowa RO

Przesunięcie fazy

największe małe α ≤ 1 duże najmniejsza największa 0o

Układ o wspólnej bazie

RL-oporność obciążenia

Układ o wspólnym emiterze

Wzmocnienie napięciowe ku

Wzmocnienie prądowe ki

Wzmocnienie mocy kp

Rezystancja wejściowe RI

Rezystancja wyjściowa RO

Przesunięcie fazy

duże duże - β największe mała duża 180o

Układ o wspólnym kolektorze

Wzmocnienie napięciowe ku

Wzmocnienie prądowe ki

Wzmocnienie mocy kp

Rezystancja wejściowe RI

Rezystancja wyjściowa RO

Przesunięcie fazy

małe ≤1 największe - β + 1 małe największa najmniejsza 0o

Charakterystyki U-I tranzystora npn w konfiguracji OE

Prąd kolektora IC jest tu funkcją napięcia baza-emiter UBE. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.

Charakterystyka wyjściowa tranzystora, która przedstawia zależność prądu kolektora IC od napięcia kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter UBE. Zauważmy, że: • powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia UCE,• do wywołania dużej zmiany prądu kolektora IC wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter UBE. Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-emiter UCEsat.

Charakterystyki wyjściowe tranzystora npn (przykłady OB i OE)

OB OE

W ukł. OB prąd Ic płynie nawet przy Ucb=0!Prąd kolektora w niewielkim stopniu zależy od Ucb.

Tranzystor bipolarny w konfiguracji OE – obszary pracy

Wybór punktu pracy•Punkt pracy musi znajdować się poniżej hiperboli mocy admisyjnej

•Jeżeli tranzystor współpracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem Rc, przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem : UCE=Ucc-RcIC (tzw. prosta obciążenia). W praktyce należy tak dobrać napięcie zasilania wzmacniacza Ucc oraz opór pracy Rc , by prosta ta była styczna do hiperboli obciążenia (lub przebiegała nieco poniżej).

•Prosta obciążenia przecina oś napięć kolektor-emiter w punkcie Ucc, a oś prądów kolektora w punkcie Ucc /Rc. Żaden z tych parametrów nie może przekraczać maksymalnych wielkości tranzystora (ICmax, UCEmax) dopuszczonych przez producenta.

Dla IC=0 mamy

0=-UCE/RC+UCC/RC

czyli UCE=UCC , co daje punkt A.

Dla UCE=0 mamy IC=UCC/RC, co daje punkt B.

Zmiana punktu pracy spowodowana zmianą RC lub UCC nie powoduje zmian prądu IC.

Prosta obciążenia

UCC=URc+ UCE

UCC=IC· RC+ UCE

y = - ax + b

Wzmacniacz klasy A

IC

UCE

IB

0 uA

10 uA

20 uA

30 uA

40 uA

50 uA

60 uA

70 uA80 uA90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

IC

UCE

IB

0 uA

10 uA

20 uA

30 uA

40 uA

50 uA

60 uA

70 uA

80 uA

90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

Wzmacniacz klasy B

Układy polaryzacji tranzystorów

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy

Bardzo małe zmiany UBE wywołane rozrzutem parametrów tranzystora oraz zmianami temperatury powodują duże zmiany prądu kolektora IC, a co za tym idzie zmiany UCE.

UCC=URC+ UCE=IC· RC+ UCE

UBE=UCC · (R2/(R1 + R2))

Układ z wymuszonym prądem bazy

ΔIB/IB= ΔUBE/(UCC- UBE)<<1

Dla układu polaryzacji z wymuszonym prądem bazy punkt pracy tranzystora praktycznie nie zależy od zmian napięcia baza-emiter.

Pozostaje jednak silna zależność punktu pracy od współczynnika , który nie tylko ma duży rozrzut ale również dosyć mocno zależy od temperatury, zmienia się bowiem nawet o 1%/°C.

Ponieważ IC= · IB to względna zmiana prądu kolektora jest taka sama

Stąd RB=(UCC- UBE)/IB

=(UCC- 0.65)/IB

Po wybraniu punktu pracy znamy IB

i możemy obliczyć RB.

•Wpływ zmiany UBE

IB=(UCC- UBE)/RB

Jeżeli napięcie UBE zmieni się o wartość UBE to prąd bazy musi się zmienić o wartość

IB=UBE/RB

wówczas

• Obliczenie RB

UCC=URC+ UCE=IC· RC+ UCE

UCC=URB+ UBE=IB· RB+ UBE

Układy polaryzacji tranzystorów

Układ ze sprzężeniem kolektorowym

IRC=IC+ IB

UCC=URC+ UCE

UCC=IRC· RC+ UCE=(IC+ IB) · RC+ UCE

UCE=URB+ UBE=IB· RB+ UBE

IC=(UCC- UBE)/(RC + RB/ )

Układ nie dopuszcza aby tranzystor wszedł w stan nasycenia.

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym

IC=(UB- UBE)/(RE + RB/ )

Układy polaryzacji tranzystorów

Ten układ poprawia stałość punktu pracy

Pasmo wzmocnienia tranzystora• Pasmo wzmocnienia jest określone przez

własności tranzystora (jego wielkości pasożytnicze) oraz sposób jego współdziałania z obwodem wzmacniacza.

• 1. Pasożytnicze pojemności tranzystora : • Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje

się różnymi wielkościami pasożytniczymi, z których najważniejsze to: rozproszona rezystancja bazy rbb oraz pojemności baza-emiter Cbe i baza-kolektor Cbk

• Pasożytnicza pojemność między bazą a emiterem (Cbe) tworzy wraz z rozproszoną rezystancją bazy (rbb) filtr dolnoprzepustowy, który przy wysokich częstotliwościach bocznikuje złącze baza-emiter, zmniejszając przepływający przezeń prąd sterujący tranzystor. W rezultacie współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora maleje wraz ze wzrostem częstotliwości powyzej fT ; powyżej tej częstotliwości współczynnik wzmocnienia prądowego β jest mniejszy od jedności.

Pasmo wzmocnienia tranzystora• 2. Efekt Millera. W pewnych układach - np. we wzmacniaczu o

wspólnym emiterze - pasmo przenoszenia jest znacznie mniejsze niż fT na skutek oddziaływania pasożytniczej pojemności kolektor - baza Ckb. rezystancją źródła sygnału RWYG i rozproszoną rezystancją bazy rbb. W układzie tym napięcie wyjściowe - będące napięciem kolektora - ma fazę przeciwną niż napięcie wejściowe, czyli napięcie bazy. Przy wysokich częstotliwościach prąd z kolektora przenika do bazy przez układ górno przepustowy Cbk(RWYG+rbb), osłabiając sygnał sterujący tranzystor. Jest to tzw. efekt Millera.

• Oddziaływanie sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy nazywamy sprzężeniem zwrotnym

1/ 2

•Pasmo przenoszenia wzmacniacza określa się podobnie jak pasmo przenoszenia filtru : dla częstości granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze o w stosunku do wzmocnienia maksymalnego.

Pasmo wzmocnienia wzmacniaczaDobór pojemności sprzęgającej C1 powinien uwzględniać pasmo przenoszenia wzmacniacza, gdyż C1 wraz z rezystancją wejściową układu tworzą filtr górno przepustowy. Dla wysokich częstotliwości pasmo przenoszenia wzmacniacza jest ograniczone przez własności tranzystora. Jeżeli budowany jest wzmacniacz o wspólnym emiterze, ze względu na efekt Millera katalogowa częstotliwość graniczna tranzystora fT powinna być przeszło 100 razy większa niż przewidywana górna granica pasma przenoszenia wzmacniacza.

Przykład wzmacniacza tranzystorowego

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza

Tranzystor jako klucz elektroniczny

Tranzystor jako klucz elektroniczny