Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Orbis pictus 21. století Princip tranzistorů I. Obor: Elektrikář Ročník: 1. Vypracoval: Ing. Jiří Šebesta, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Tranzistor je polovodičová součástka, jejíž hlavní funkcí je zesílení (napětí nebo proudu). Základním typem tranzistoru je bipolární tranzistor sestávající ze tří polovodičových oblastí, buď N-P-N nebo P-N-P. Každá z těchto oblastí má kovový kontakt – kolektor C, bázi B a emitor E.

Tranzistor obsahuje dva PN přechody jeden mezi bází a emitorem a druhý mezi bází a kolektorem. Šířka prostřední oblasti (báze) je velmi malá, proto i krajní oblasti (emitor, kolektor) navzájem na sebe přes bázi působí. Napájení tranzistorů NPN a PNP

Uvažujme jako nosiče elektrického náboje volné elektrony, díry se v polovodiči pohybují proti směru pohybu elektronů. Pro připojení napájecího napětí na tranzistor NPN podle předchozího obrázku bude PN přechod báze – emitor po-larizován v propustném směru. PN přechod kolektor – emitor je polarizován závěrně. Pokud mezi bází a emitorem bude dostatečné napětí (alespoň 0,6 V u křemíkového tranzistoru), podobně jako u křemíkové diody začne přechodem téct proud. Volné elektrony jsou dodávané do zdrojem napětí do emitoru jsou přitahovány kladným napěťovým potenciálem báze. Avšak protože je báze (střední P-oblast tranzistoru) velmi

úzká, nejsou všechny elektrony bází zachyceny a odvedeny, ale velká část prolétne až do kolektoru (i přes PN přechod v závěrném směru), kde jsou přitahovány kladným potenciálem na kontaktu kolektoru.

Poměr počtu elektronů, které jsou zachyceny bází, a elektronů, které projdou až do kolektoru je konstantní, tzn., že když se počet elektronů zachycených bází zdvojnásobí, zdvojnásobí i se i počet elektronů, které prolétnou do kolektoru. Pro poměr kolektorového a bázového proudu musí tedy platit: Tranzistor zesiluje proud, tzv. tranzistorový jev. a představuje tzv. proudový zesilovací činitel tranzistoru a dosahuje hodnot od 10 až do 500 (napájecí napětí kolektoru musí být dostatečné). Tranzistor je tedy součástka, pomocí které můžeme malým proudem báze řídit proud kolektorem (zesilovat proud).

Podle základního principu tranzistoru jsou nazvány i jeho elektrody: emitor emituje (generuje) elektrony, báze je základnou, kterou se řídí jejich množství (proud) a kolektor je kolektuje (sbírá). Z principu tranzistoru je zřejmé, že proud emitorem je součtem proudu bází a kolektorem (emitor dodává volné elektrony jak pro bázi, tak i pro kolektor): Příklad: Určete proudový zesilovací činitel tranzistoru, když byl naměřen proud do báze 5 mA a proud kolektorem 250 mA. Určete rovněž emitorový proud.

Bipolární tranzistor (pracuje s oběma typy nosičů náboje – volnými elektrony i volnými dírami) lze do obvodu, který tvoří dvojbran (obvod – „black box“ , který má vstupní svorky a výstupní svorky), zapojit několika způsoby. Nejčastěji se v praxi vyskytuje zapojení se společným emitorem SE (emitor je připojen ke vstupu i k výstupu) Bipolární tranzistor v zapojení SE z principu zesiluje proud, malý proud do báze (do vstupu) zapříčiňuje velký proud kolektorem (do výstupu).

Proto bývá proudový zesilovací činitel tranzistoru  označován jako parametr h21E (E v indexu parametru h21 specifikuje zapojení se společným emitorem SE): Napájení tranzistoru v zapojení SE Napěťový zdroj UB zajišťuje vhodné předpětí báze (pra-covní bod tranzisto-ru), v praxi je nejčas-těji odvozen od spo-lečného napájecího zdroje UN.

Napájení výstupního obvo-du (zajištění kolektorového proudu) je řešeno pomocí napěťového zdroje UN. Na zatěžovacím odporu (kolektorovém odporu) RZ pak vzniká úbytek napětí odpovídající kolektorovému proudu. Pokud je pomocí zdroje UB (bázové předpětí) otevřen PN přechod báze-emitor, malý proud ze vstupu (napětí z generátoru s vnitřním odporem) se sčítá s proudem z předpěťového zdroje. Tato malá změna bázového proudu se projeví velkou změnou kolektorového proudu (-krát) a tím i úbytkem napětí na zatěžovacím odporu URZ.

Tranzistor zapojený jako SE, tedy zesiluje napětí ze vstupu (z generátoru) na zátěž zapojenou v kolektorovém obvodu. Protože je PN přechod báze – emitor polarizován v propustném směru (zajištěno předpětím UB) má i malý odpor (dynamický odpor diody v propustném směru za prahovým napětím), který představuje vstupní odpor tranzistoru Rvst. Aby bipolární tranzistor zesiloval musíme do báze dodávat určitý proud – bipolární tranzistor v zapojení SE pracuje v režimu proudového buzení (musíme dodávat ze vstupu výkon). Naopak ve výstupním obvodě je v sérii se zatěžovacím odporem zapojen PN přechod kolektor – báze v závěrném směru a bipolární tranzistor v zapojení SE tedy vykazuje velký výstupní odpor Rvýst.

Zapojení vstupního obvodu zesilovače s tranzistorem v za-pojení SE Předpokládejme, že pomocí předpětí UB je otevřen PN přechod báze – emitor tranzistoru. Střídavý signál z generátoru (např. audiosignál ze sluchátkového výstupu počítače) s vnitřním (z pohledu generátoru výstupním) odporem RG můžeme navázat přes vazební kondenzátor do bázového obvodu tranzistoru. Vazební kondenzátor Cvst zajistí oddělení stejnosměrného předpětí od zdroje (jinak by mohl stejnosměrný proud ze zdro-

je UB téct do generátoru místo do báze).  Na bázi tranzistoru se sečtou oba proudy (z předpěťového zdroje a z generátoru) a vytvoří napětí na bázi (úbytek na vstupním odporu tranzistoru).  Kolektorový proud je pak zesílen -krát.

Proud iC pak vyvolá úbytek napětí na zátěži uRZ, tranzistor v zapojení SE zesiluje napětí z generátoru na napětí na zátěži. Aby tranzistor jako zesilovač v zapojení SE pracoval dobře, musí být odpor RG malý vzhledem k Rvst, jinak by vznikl odporový dělič RG-Rvst a zesilovaný signál by byl utlumen. Naopak Rz musí být velký vzhledem k Rvýst, aby na něm vznikl velký úbytek napětí.

Děkuji Vám za pozornost Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Jiří Šebesta Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky