BJT


Bipolárny tranzistor

Pricíp činnosti bipolárneho tranzistora

Bipolárny tranzistor (BJT) pozostáva z 2 p-n prechodov, ku ktorým sú pripojené elektródy: emitor (E), báza (B) a kolektor (C). Princíp činnosti BJT je založený na injektovaní nosičov náboja v jednom p-n prechode (na obrázku tranzistora typu NPN je pre majoritné nosiče náboja p-n prechod medzi emitorom a bázou polarizovaný vodivo) a na zbere nosičov náboja na druhom p-n prechode (na obrázku pre majoritné nosiče náboja je p-n prechod medzi bázou a kolektorom polarizovaný nevodivo). V tranzistore malý bázový prúd ovláda oveľa väčší kolektorový prúd.

Pricíp činnosti bipolárneho tranzistora

Bipolárny tranzistor (BJT) pozostáva z 2 p-n prechodov, ku ktorým sú pripojené elektródy: emitor (E), báza (B) a kolektor (C). Princíp činnosti BJT je založený na injektovaní nosičov náboja v jednom p-n prechode (na obrázku tranzistora typu NPN je pre majoritné nosiče náboja p-n prechod medzi emitorom a bázou polarizovaný vodivo) a na zbere nosičov náboja na druhom p-n prechode (na obrázku pre majoritné nosiče náboja je p-n prechod medzi bázou a kolektorom polarizovaný nevodivo). V tranzistore malý bázový prúd ovláda oveľa väčší kolektorový prúd.

Prúdový zisk v tranzistore

Tranzistor je aktívny prvok, ktorý je schopný výkonovo zosilňovať (na rozdiel od pasívneho prvku - napr. transformátora, v ktorom pri vhodnom prevode možno zväčšiť amplitúdu napätia ale bez výkonového zosilnenia). Prúd bázy I_B na obrázku je ovládaný cez odpor R_B napätím batérie U_B Elektróny, ako pôvodná súčasť prúdu báze sú však v oblasti prechodu báza - kolektor (ako minoritné nosiče náboja s ohľadom na polarizáciu prechodu B-E sa stávajú majoritnými nosičmi náboja v oblasti prechodu B-C) presmerované ako prúd I_C na kolektor. Emitorový prúd teda pozostáva teda z 2 zložiek I_E=I_C+I_B : malého ovládacieho prúdu I_B a výstupného prúdu I_C. Pomer I_C/I_B=b_F (na obrázku označený h_fe=b_F) vyjadruje statický prúdový zisk tohto demonštračného zapojenia..

Prúdový zisk v tranzistore

Tranzistor je aktívny prvok, ktorý je schopný výkonovo zosilňovať (na rozdiel od pasívneho prvku - napr. transformátora, v ktorom pri vhodnom prevode možno zväčšiť amplitúdu napätia ale bez výkonového zosilnenia). Prúd bázy I_B na obrázku je ovládaný cez odpor R_B napätím batérie U_B Elektróny, ako pôvodná súčasť prúdu báze sú však v oblasti prechodu báza - kolektor (ako minoritné nosiče náboja s ohľadom na polarizáciu prechodu B-E sa stávajú majoritnými nosičmi náboja v oblasti prechodu B-C) presmerované ako prúd I_C na kolektor. Emitorový prúd teda pozostáva teda z 2 zložiek I_E=I_C+I_B : malého ovládacieho prúdu I_B a výstupného prúdu I_C. Pomer I_C/I_B=b_F (na obrázku označený h_fe=b_F) vyjadruje statický prúdový zisk tohto demonštračného zapojenia..

Vodivo polarizovaný prechod emitor - báza

Vodivo polarizovaný prechod medzi bázou a emitorm sa chová podobne ako vodivá dióda, cez ktorú je prúd obmedzený odporom R_B. Na dióde sa nastaví napätie U_BE ~ 0,6V až 0,7V.

Vodivo polarizovaný prechod emitor - báza

Vodivo polarizovaný prechod medzi bázou a emitorm sa chová podobne ako vodivá dióda, cez ktorú je prúd obmedzený odporom R_B. Na dióde sa nastaví napätie U_BE ~ 0,6V až 0,7V.

Nastavenie ovládacieho prúdu

Na nastavenie vhodných pracovných podmienok tranzistora sa používa rezistor R_B, prostredníctvom ktorého možno nastaviť vhodný prúd I_B a tým za predpokladu stáleho koeficienta b_F=I_C/I_B aj prúd I_C.

Nastavenie ovládacieho prúdu

Na nastavenie vhodných pracovných podmienok tranzistora sa používa rezistor R_B, prostredníctvom ktorého možno nastaviť vhodný prúd I_B a tým za predpokladu stáleho koeficienta b_F=I_C/I_B aj prúd I_C.

Výstupné charakteristiky tranzistora

Pomocou výstupných charakteristík tranzistora možno pri zvolenom bázovom prúde I_B a nájsť vhodný pracovný bod (U_CE, I_C) v normálnej operačnej oblasti pre zosilňovač (v plochej oblasti výstupnej charakteristiky).

Výstupné charakteristiky tranzistora

Pomocou výstupných charakteristík tranzistora možno pri zvolenom bázovom prúde I_B a nájsť vhodný pracovný bod (U_CE, I_C) v normálnej operačnej oblasti pre zosilňovač (v plochej oblasti výstupnej charakteristiky).

Zaťažovacia priamka

Na základe sformulovania vzťahu medzi napätím napájacieho zdroja U_cc, svorkovým napätím na výstupe tranzistora U_CE a úbytkom napätia na kolektorovom odpore I_CR_C možno vytvoriť náhradný obvod zdroja napätia s napätím naprázdno U₀₀=U_cc a prúdom nakrátko I_kk=U_cc/R_C. Grafickým zobrazením vlastností tohto náhradného zdroja napätia je zaťažovacia priamka.

Zaťažovacia priamka

Na základe sformulovania vzťahu medzi napätím napájacieho zdroja U_cc, svorkovým napätím na výstupe tranzistora U_CE a úbytkom napätia na kolektorovom odpore I_CR_C možno vytvoriť náhradný obvod zdroja napätia s napätím naprázdno U₀₀=U_cc a prúdom nakrátko I_kk=U_cc/R_C. Grafickým zobrazením vlastností tohto náhradného zdroja napätia je zaťažovacia priamka.

Pracovný bod

Zakreslením zaťažovacej priamky do sústavy výstupných charakteristík možno zvoliť vhodný pracovný bod Q tranzistora.

Pracovný bod

Zakreslením zaťažovacej priamky do sústavy výstupných charakteristík možno zvoliť vhodný pracovný bod Q tranzistora.

Oblasť nasýtenia (saturácie)

Po dosiahnutí dostatočne veľkého prúdu I_B>I_Bsat už ďalej nevzrastá prúd I_C, takže kolektorové napätie U_CEsat je veľmi nízke a prúd I_C~U_cc/R_C. prakticky ohraničuje odpor R_C - tranzistor sa nachádza v "neovládateľnom" nasýtenom (saturovanom) stave.

Oblasť nasýtenia (saturácie)

Po dosiahnutí dostatočne veľkého prúdu I_B>I_Bsat už ďalej nevzrastá prúd I_C, takže kolektorové napätie U_CEsat je veľmi nízke a prúd I_C~U_cc/R_C. prakticky ohraničuje odpor R_C - tranzistor sa nachádza v "neovládateľnom" nasýtenom (saturovanom) stave.

12

Tranzistorový spínač s indikáciou LED

Tranzistor sa dostane do nevodivého stavu (U_CE~U_cc) ak znížime ovládacie vstupné napätie U_B~0 a prestane tiecť bázový prúd I_B~ 0. V tomto stave (vypnutého spínača - OFF) je tiež prúd I_C=b_FI_B~ 0 a prestane svietiť dióda LED. Pri zvýšení vstupného napätia U_B>0 vzrastie bázový prúd I_B i kolektorový prúd I_C=b_FI_B a dióda začne svietiť. Maximálny svit diódy nastane v stave nasýtenia tranzistora, keď U_CE~0 (v stave zopnutého spínača - ON)

Tranzistorový spínač s indikáciou LED

Tranzistor sa dostane do nevodivého stavu (U_CE~U_cc) ak znížime ovládacie vstupné napätie U_B~0 a prestane tiecť bázový prúd I_B~ 0. V tomto stave (vypnutého spínača - OFF) je tiež prúd I_C=b_FI_B~ 0 a prestane svietiť dióda LED. Pri zvýšení vstupného napätia U_B>0 vzrastie bázový prúd I_B i kolektorový prúd I_C=b_FI_B a dióda začne svietiť. Maximálny svit diódy nastane v stave nasýtenia tranzistora, keď U_CE~0 (v stave zopnutého spínača - ON)

Jednoduché predpätie pre tranzistorový zosilňovač

Pracovný bod, určený jednosmernými prúdmi cez tranzistor sa nastavuje v strede zaťažovacej priamky najjednoduchšie pomocou predpätia U_B (z nezávislého zdroja napätia alebo pomocou úbytku napätia na odpore R_B z napájacieho zdroja U_cc). Nevýhoda: Malá odolnosť voči posunu pracovného bodu pri zámene tranzistora s odlišným b_F a voči vplyvom teploty na kolektorový prúd, v dôsledku čoho dochádza k posunu pracovného bodu .

Jednoduché predpätie pre tranzistorový zosilňovač

Pracovný bod, určený jednosmernými prúdmi cez tranzistor sa nastavuje v strede zaťažovacej priamky najjednoduchšie pomocou predpätia U_B (z nezávislého zdroja napätia alebo pomocou úbytku napätia na odpore R_B z napájacieho zdroja U_cc). Nevýhoda: Malá odolnosť voči posunu pracovného bodu pri zámene tranzistora s odlišným b_F a voči vplyvom teploty na kolektorový prúd, v dôsledku čoho dochádza k posunu pracovného bodu .

Dokonalejší spôsob realizácie stabilnejšieho predpätia

V prípade (nami) zadaného U_B možno využiť úbytok napätia na emitorovom odpore R_E na vytvorenie potrebného predpätia pre stabilnejšie nastavenie jednosmerných prúdov cez tranzistor (na základe U_B a R_E ). Zaťažovacia priamka pri použití odporu R_E má menší sklon 1/(R_C+R_E) než pri jednoduchom predpätí bez emitorového odporu.

Dokonalejší spôsob realizácie stabilnejšieho predpätia

V prípade (nami) zadaného U_B možno využiť úbytok napätia na emitorovom odpore R_E na vytvorenie potrebného predpätia pre stabilnejšie nastavenie jednosmerných prúdov cez tranzistor (na základe U_B a R_E ). Zaťažovacia priamka pri použití odporu R_E má menší sklon 1/(R_C+R_E) než pri jednoduchom predpätí bez emitorového odporu.

Väčšia odolnosť voči zmene prúdového zisku b_F

Nastavenie predpätia pomocou emitorového odporu R_E stabilizuje polohu pracovného bodu.

Väčšia odolnosť voči zmene prúdového zisku b_F

Nastavenie predpätia pomocou emitorového odporu R_E stabilizuje polohu pracovného bodu.

Realizácia stabilizovaného jednosmerného predpätia

Jednosmerné pracovné podmienky tranzistora na obrázku sú určené napätím U_bb na báze, emitorovým odporom R_E .Kombinácia odporov R_C a R_E limituje maximálny kolektorový prúd.