Bipolární tranzistor - jedná se o polovodičová zařízení, která jsou hlavním prvkem při vytváření moderní elektroniky. Umožňují ovládání elektrického proudu a umožňují zesílení a přepínání signálů. Bipolární tranzistory mají složitou strukturu, ve které hrají hlavní roli tři zóny – emitor, základna a kolektor.
Existuje několik základní druhy bipolární tranzistory, z nichž každý má své vlastní jedinečné vlastnosti. Pro začátek stojí za zmínku tranzistory typu NPN a PNP. V tranzistoru NPN jsou elektrony hlavními nosiči náboje a v tranzistoru PNP jsou díry. Dalším důležitým parametrem je výkon tranzistoru. Je určena schopností tranzistoru odolat velkým hodnotám napětí a proudu. Za zmínku stojí také polní tranzistory, které mají výhodu nad bipolárními v rychlosti provozu.
Princip fungování bipolárních tranzistorů je založen na kontrole proudu v základní zóně. V závislosti na směru a velikosti základního proudu je regulován proud v emitoru. Když je základní proud nulový, tranzistor je ve vypnutém stavu. Pokud je přítomen základní proud, tranzistor se otevře a propustí proud přes kolektor. Je však třeba vzít v úvahu potřebu správného připojení emitoru, základny a kolektoru, jinak může tranzistor fungovat nesprávně nebo se může rozbít.
Bipolární tranzistory jsou široce používány v různých elektronických zařízeních, včetně radioelektroniky, telekomunikací, procesorů a dalších. Znalost základních typů a principů fungování těchto zařízení umožňuje vývoj a zlepšování moderních technologií a spotřebičů a zajišťuje jejich spolehlivost a účinnost.
Hlavní typy bipolárních tranzistorů
Existuje několik základních typů bipolárních tranzistorů, které se liší svými vlastnostmi a principy fungování. Níže jsou uvedeny hlavní typy bipolárních tranzistorů:
- Pnp tranzistor. V PNP tranzistoru protékají proudy elektronů a děr ze základny do emitoru a z emitoru do kolektoru. Má dva typy vrstev p oddělených typem N. Aby pnp tranzistor mohl fungovat, musí být na základnu aplikováno záporné napětí vzhledem k emitoru.
- NPN tranzistor. V NPN tranzistoru proudí proudy děr ze základny do emitoru a proudy elektronů z emitoru do kolektoru. Takový tranzistor má dva typy n vrstev oddělené typem p. Aby tranzistor NPN fungoval, musí být na základnu aplikováno kladné napětí vzhledem k emitoru.
- Darlingtonský tranzistor. Tato struktura tranzistoru zahrnuje dva bipolární tranzistory Spojené tak, že jeden tranzistor zesiluje proud základny druhého. Má vyšší zisk ve srovnání s konvenčními bipolárními tranzistory.
Jedná se pouze o základní typy bipolárních tranzistorů, existují i jiné odrůdy, ale jejich popis přesahuje rámec tohoto článku.
Emitorové tranzistory
Základním principem tranzistorů emitorů a prostředníků je použití emitorového proudu k řízení proudu protékajícího kolektorem a základnou. Když je na základnu přiveden signál, který překračuje určité napětí, proud protékající emitorem se zvýší. To vede ke zvýšení proudu protékajícího kolektorem a v důsledku zesílení signálu na výstupu.
Výhodou tranzistorů emitorů a prostředníků je jejich vysoká zesilovací schopnost a schopnost pracovat na vysokých frekvencích. Mají také vysokou stabilitu a nízkou hlučnost. Vyžadují však složitější řídicí obvody a jsou méně efektivní z hlediska spotřeby energie ve srovnání s jinými strukturami bipolárních tranzistorů.
Dvojitě zprostředkované tranzistory
Bipolární tranzistory (také známé jako DT) jsou jednou z odrůd bipolárních tranzistorů. Vyznačují se zvláštní strukturou a mechanismem práce.
Struktura dvojitých zprostředkovávacích tranzistorů se skládá ze tří oblastí-základny (B), emitoru (E) a kolektoru (C). Na rozdíl od jiných typů bipolárních tranzistorů jsou v DT mezi základnou a emitorem nainstalovány dva PN přechody a mezi základnou a kolektorem je pouze jeden PN přechod.
Princip fungování tranzistorů s dvojím zprostředkováním je založen na řízení proudového toku prostřednictvím dvou PN přechodů mezi základnou a emitorem. Když je mezi základnou a kolektorem aplikováno napětí, začíná proces vstřikování nosičů náboje ze základny do kolektoru a emitoru. V DT se tedy elektrony mohou pohybovat oběma směry, což je při aplikaci flexibilnější.
Tranzistory s dvojitým zprostředkováním mají oproti jiným typům bipolárních tranzistorů řadu výhod. Jejich hlavní výhodou je vysoká rychlost přepínání, která umožňuje jejich použití ve vysokofrekvenčních zařízeních a komunikačních systémech. Mají také vysoký proudový zisk a mohou pracovat při vysokých teplotách.
Tranzistory s dvojím zprostředkováním však mají určitá omezení a zvláštnosti. Jejich použití v analogových obvodech může vést ke zkreslení signálu, protože mají nelineární charakterizaci zisku. Také kvůli dvěma PN přechodům mezi základnou a emitorem mají DT nižší vstupní odpor, což může vést ke ztrátě signálu a zhoršení šířky pásma.
Tranzistory s dvojitým zprostředkováním jsou však důležitými prvky v různých elektronických zařízeních a systémech. Jsou široce používány v zesilovačích, generátorech, rádiích, telekomunikačních systémech a mnoha dalších oblastech.
Bazické-sběrné tranzistory
Princip fungování basového sběrného tranzistoru je založen na řízení proudu emitoru změnou napětí na základně. Když je na bázi tranzistoru přiváděno kladné napětí vzhledem k emitoru, elektrony z emitoru jsou většinou transportovány do základny přes úzkou základní zónu. Dále se většina elektronů ze základny přesune do kolektoru a vytvoří proud kolektoru.
Bazické kolektorové tranzistory mají vysoký proudový koeficient hFE (také známý jako beta), díky čemuž jsou ideální pro zesílení signálů. Mají také větší hnisavost přechodu, což jim umožňuje pracovat při vysokých frekvencích.
Aplikace bazických sběrných tranzistorů zahrnuje stejnosměrné a střídavé zesilovače, stabilizátory, generátory signálů a další elektronická zařízení.
Je třeba poznamenat, že bazické sběrnice se často používají k vytváření diferenciálních zesilovačů, kde poskytují dobrou stabilitu a lineární provoz.
Principy fungování bipolárních tranzistorů
Princip fungování bipolárních tranzistorů je založen na jevu vstřikování nosičů náboje z jedné oblasti polovodiče do jiné oblasti. K tomu jsou zapotřebí dva p-n přechody, které jsou vedle sebe. První přechod je mezi základnou a emitorem a druhý mezi základnou a kolektorem.
Když je kladné napětí přiváděno na základnu tranzistoru, vede to k přivedení elektronů z emitoru, které pronikají do základny. Výsledkem je základní proud, který řídí velký proud, který proudí z emitoru do kolektoru. Proud kolektoru je vždy větší než proud základny, což zajišťuje zesílení signálu.
Princip fungování bipolárních tranzistorů lze popsat následujícím vzorcem: I_C = β * i_b, kde i_c je proud kolektoru, i_b je proud základny, β je zisk proudu (také známý jako proudový zisk).
Bipolární tranzistory tak umožňují ovládat velké proudy pomocí výrazně menších proudů. Jejich aplikace v mnoha elektronických zařízeních umožňuje zesilovat signály, přepínat proudy a provádět další funkce potřebné k provozu signálů v elektronických systémech.
| Základní parametry bipolárních tranzistorů: | Označení | Popis |
|---|---|---|
| Proud kolektoru | Ic | Proud protékající potrubím tranzistoru |
| Základní proud | Ib | Proud dodávaný na základnu tranzistoru, který řídí proud kolektoru |
| Emitor proud | Ie | Součet proudů kolektoru a základny: Ie = Ic + Ib |
| Zisk proudu | β | Poměr Ic k Ib: β = Ic / Ib |
Řízení proudu emitorového přechodu
Proud emitorového přechodu (IE) lze ovládat základním proudem (IB). Při změně základního proudu se mění šířka přechodu, což zase ovlivňuje jeho elektrické vlastnosti.
Řízení emitorového proudu probíhá ve dvou hlavních režimech: aktivní a nasycení.
V aktivním režimu funguje tranzistor jako zesilovač. Základní proud IB malý ve srovnání s emitorním proudem IE. Šířka přechodu se zvyšuje a tranzistor umožňuje průchod většího počtu elektronů a děr z emitoru do základny.
V nasyceném režimu funguje tranzistor jako klíč. Základní proud IB je dostatečně velký a přechod je plně nasycen. To znamená, že tranzistor propouští maximální počet elektronů a děr z emitoru do kolektoru.
Řízení proudu emitorového přechodu umožňuje použití bipolárních tranzistorů v široké škále aplikací, od zesilovačů po logické prvky.
Kaskádový zesilovač na bázi bipolárních tranzistorů
Kaskádový zesilovač se skládá z několika stupňů zesílení, z nichž každý obsahuje jeden nebo více bipolárních tranzistorů. Každý další stupeň zesílení používá výstupní signál předchozího stupně jako vstupní signál, což umožňuje zvýšení celkového zesílení signálu.
Základním principem fungování kaskádového zesilovače založeného na bipolárních tranzistorech je řízení proudu protékajícího tranzistorem pomocí změny napětí na jeho základně. Hlavními prvky zesilovače jsou emitorový odpor, základní odpor a kolektorový odpor.
Při přívodu vstupního signálu na základní emitorový přechod se mění napětí založené na tranzistoru, což má za následek změnu proudu protékajícího kolektorem a emitorem tranzistoru. Když znáte hodnoty odporů a proudu kolektoru, můžete vypočítat celkové zesílení signálu.
Kaskádový zesilovač na bázi bipolárních tranzistorů má vysoký zisk signálu, širokou šířku pásma a nízkou míru zkreslení. Má také nízký vstupní odpor a vysoký výstupní odpor, který umožňuje připojení různých zatížení.
Kaskádový zesilovač na bázi bipolárních tranzistorů je důležitým prvkem mnoha elektronických zařízení. Díky svým vlastnostem umožňuje zesílit a vysílat signál s minimálním zkreslením, což je nepostradatelné v oblasti elektroniky a komunikace.