Praktická elektronika/BJT Tranzistory

Bipolární tranzistor (BJT - Bipolar Junction Transistor) je součástka, která umožňuje malým proudem řídit větší proud.

Existuje řada různých druhů tranzistorů, které se podstatně liší. Některé další běžné druhy tranzistorů jsou popsány v následujících kapitolách.

Bipolární tranzistor si můžeme představit jako rezistor (s nožičkami kolektor C a emitor E), který mění svůj odpor tak, aby mezi E a C neprotékal větší proud, než je β-násobek proudu, který teče do řídicí nožičky - báze B. Obvykle se používá buďto jako spínač, nebo jako zesilovač.

Bipolární tranzistory se vyskytují ve dvou variantách: NPN a PNP. Jsou funkčně podobné, liší se ale opačnou polaritou: tam, kde u NPN teče proud jedním směrem, teče u PNP opačným. V následujících příkladech budeme používat NPN tranzistor, ve všech těchto zapojeních ale jde použít i PNP tranzistor, když u všech součástek včetně napájení převrátíme polaritu. Značí se takto:

NPN PNP

K zapamatování symbolu pomůže, že

en pé en, šipka ven
pé en pé, Pojď Na Pivo
nožička se šipkou je vždy emitor

Tranzistor jako spínač

Když tranzistor zapojíme podle schématu, bude malý proud tekoucí do báze I_BE určovat, jestli bude sepnut větší proud I_CE tekoucí ze zdroje skrz žárovku do kolektoru:

Funkce je vidět na fotografiích:

Aby tranzistor spínal a vypínal kolektorový proud, stačí do báze pustit výrazně menší proud (zde má rezistor 1 kΩ, proto I_BE = 5 mA).

Tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovač

Zesilovací činitel β popisuje, kolikrát tranzistor zesiluje proud. U běžného tranzistoru je β 50 - 150.

Pokud je β = 100 a do B teče 1 mA, dovolí tranzistor, aby z C do E teklo nejvýše 100 mA.

V následující ukázce postupně zvětšujeme bázový proud I_BE. Rezistenci proměnného rezistoru snižujeme z 48 kΩ na 1 kΩ) a sledujeme svit žárovky:

Zpočátku (obr. 1 až 3) vzrůstá svit žárovky, neboť se vzrůstajícím I_BE tranzistor propouští i úměrně větší I_CE. Na obrázku č. 4 ale při dalším zvětšení bázového proudu už nepozorujeme zvýšení svitu žárovky, protože sama žárovka omezuje proud. (Na tranzistoru bychom nyní naměřili skoro nulové napětí, protože teď už je tranzistor zcela otevřen a neomezuje I_CE.)

Aby to nebylo tak jednoduché, přechod báze-emitor se chová jako dioda v otevřeném směru: má úbytek napětí 0,6 V. Pokud bází protéká proud, je na ní vždy napětí o 0,6 V vyšší než na emitoru.

Nejčastější zapojení tranzistoru jako zesilovače

Ve třech následujících zapojeních přidáme k tranzistoru několik rezistorů a kondenzátorů, aby obvod sloužil jako napěťový a/nebo proudový zesilovač.

Tato zapojení slouží jako zesilovač střídavého signálu, čímž se rozumí střídavé napětí či proud (pro stejnosměrný signál jsou operační zesilovače). To znamená, že:

Musíme počítat s tím, že bude kladný i záporný. U tranzistoru je proto potřeba nastavit tzv. pracovní bod, tedy stav, kdy jím protéká malý stejnosměrný proud. Signál se pak přičítá či odčítá.
K oddělení stejnosměrného proudu a signálu můžeme použít kondenzátor.Ten se totiž pro stejnosměrný proud chová jako rozpojený čili tento proud jím neprojde na rozdíl od střídavého signálu, který jím může procházet.

Protože v těchto obvodech protéká proud, i když je signál nulový, označujeme je jako zesilovače třídy A. Hojně se využívají k zesilování zvuku, v rádiích, vysílačkách, televizích atd. Více najdete v kapitole o zesilovačích.

Zesilovač se společným emitorem

Toto zapojení má velké proudové i napěťové zesílení. Používá se nejčastěji.

Nejdříve nastavíme tzv. pracovní bod tranzistoru. To obnáší přidat několik rezistorů:

R₁ aby protékal malý proud rezistorem do báze
(volitelně R₂ kvůli lepší stabilitě obvodu, avšak tuto funkci může alespon částečně plnit i R₄)
R₃ aby na kolektoru byla zhruba polovina napětí zdroje
(případně R₄, aby kladl odpor vstupnímu signálu a vytvořil tak zápornou zpětnou vazbu)

Nyní protéká malý bázový proud a na βkrát větší kolektorový proud. Když na vstup připojíme signál:

Signál prochází skrz C₁ a chce projít bází na zem. Přitom se přičítá k malému bázovému proudu, který teče trvale skrz R₁.
Při zvětšení signálu tekoucího skrz bázi tranzistor propustí větší proud na kolektoru. Vzroste úbytek napětí na R₃, poklesne napětí na výstupu.
Tím se zvětší napětí na R₄ a poklesne napětí na výstupu. Vzrůst napětí na R₄ ale brání bázovému proudu - takto je vytvořena zpětná vazba, která způsobí, že výsledné napěťové zesílení je poměr R₃/R₄.

Protože výstupní signál odebíráme za odporem, je převrácený oproti vstupu. Třeba u zvuku to vůbec nevadí.

Napěťový zesilovač se společnou bází

Všechen proud výstupního signálu je tvořen proudem vstupního signálu. Toto zapojení tedy zesiluje jen napětí. Lze je použít i pro vysoké frekvence (~200 MHz).

Proudový zesilovač se společným kolektorem

Vstupní signál zde v klidovém stavu musí procházet rezistorem R₃. To ale znamená, že na výstupu musí být napětí o trochu menší než na vstupu! Pokud na výstupu odebíráme proud, sníží se na něm napětí, umožní to větší průtok bázového proudu a ten okamžitě zvýší průtok kolektorového proudu. Tím se pokles napětí hned vyrovná. V tomto zapojení se nezesílí napětí, ale jen proud.

Napětí na výstupu zesilovače (emitoru) sleduje napětí na vstupu (bázi). Proto se zapojení se společným kolektorem často označuje jako emitorový sledovač. Tento zesilovač je řízen jen velmi malým proudem (který zesiluje).