piątek, 30 września
Shadow

Tranzystor NPN podstawy – praca, przykładowy obwód, aplikacje

Tranzystor PNP to rodzaj tranzystora bipolarnego z angielskiego BJT (Bipolar Junction Transistor). Tranzystor NPN składa się z dwóch materiałów półprzewodnikowych typu n, które są oddzielone cienką warstwą półprzewodnika typu p. Tutaj większością nośników ładunku są elektrony. Przepływ tych elektronów od emitera do kolektora tworzy przepływ prądu w tranzystorze. Generalnie jak by nie patrzeć tranzystor NPN jest najczęściej używanym typem tranzystorów bipolarnych, wszystko przez ruchliwość elektronów jest wyższa niż ruchliwość dziur. Tranzystor NPN ma trzy złącza – emiter, bazę oraz kolektor. Tranzystor NPN służy głównie do wzmacniania oraz przełączania sygnałów.

tranzystor NPN

Powyższy rysunek przedstawia symbol i strukturę tranzystora NPN. W tej strukturze możemy obserwować trzy złącza tranzystora, prądy w obwodzie i reprezentacje wartości napięcia.

Podstawowy obwód tranzystora NPN

Poniższy schemat przedstawia obwód tranzystora NPN z napięciami zasilania i obciążaniem rezydencyjnym. W tym przypadku złącze kolektora zawsze podłączony do napięcia dodatniego, natomiast złącze emitera podłączony do ujemnego zasilania i złącze bazy kontroluje stany ON/OFF tranzystora w zależności od przyłożonego do niego napięcia.

tranzystor NPN przykładowy obwód

Jak działa tranzystora NPN

Działanie tranzystora NPN jest dość złożone. W powyższych połączeniach obwodu zaobserwowaliśmy, że napięcie zasilania VB jest przykładane do złącza bazy przez obciążenie RB. Złącze kolektora podłączone do napięcia VCC przez obciążenie RL. Tutaj oba obciążenia RB i RL mogą ograniczać przepływ prądu. Tutaj styki bazowy jak i  kolektora zawsze zawierają dodatnie napięcia w stosunku do emitera.

Zwróćmy uwagę, że jeżeli napięcie bazy jest równe napięciu emitera, to tranzystor jest w stanie wyłączonym. Jeśli napięcie bazy wzrośnie powyżej napięcia emitera, tranzystor zaczyna powoli przewodzić, aż do pełnego włączenia. Jeśli do złącza bazy zostanie przyłożone wystarczające napięcie dodatnie, czyli stan całkowicie włączony, to generowane elektrony przepływają, a prąd (IC) przepływa od emitera do kolektora. Tutaj terminal bazowy działa jako wejście, a obszar kolektor-emiter działa jako wyjście.

Aby umożliwić prawidłowy przepływ prądu między emiterem a kolektorem, konieczne jest, aby napięcie kolektora było dodatnie, a także większe niż napięcie emitera tranzystora. Pewien spadek napięcia między bazą a emiterem, np. 0,7V. Zatem napięcie bazowe musi być większe niż spadek napięcia 0,7 V, w przeciwnym razie tranzystor nie będzie działał. Równanie na prąd bazy bipolarnego tranzystora NPN jest podane przez,

IB = (VB -VBE )/RB

Gdzie,

IB = Prąd bazowy
VB = Napięcie polaryzacji bazowej
VBE = Wejście Napięcie bazowe-emiter = 0,7
VRB = Rezystancja bazowa

Prąd wyjściowy kolektora w tranzystorze NPN ze wspólnym emiterem można obliczyć, stosując prawo napięcia Kirchhoffa.

Równanie na napięcie zasilania kolektora jest podane jako

VCC = ICRL + VCE

Z powyższego równania prąd kolektora dla tranzystora NPN ze wspólnym emiterem jest podany jako

IC = (VCC -VCE)/RL

W tranzystorze NPN ze wspólnym emiterem zależność między prądem kolektora a prądem emitera jest podana jako

IC = β IB

W obszarze aktywnym tranzystor NPN działa jak dobry wzmacniacz. We wspólnym emiterze tranzystora NPN całkowity przepływ prądu przez tranzystor określa się jako stosunek prądu kolektora do prądu bazy IC/IB. Ten stosunek jest również nazywany „wzmocnieniem prądu stałego” i nie ma żadnych jednostek. Stosunek ten jest ogólnie reprezentowany przez β, a maksymalna wartość β wynosi około 200. W tranzystorze NPN ze wspólną bazą całkowity zysk prądu jest wyrażony stosunkiem prądu kolektora do prądu emitera IC/IE. Stosunek ten jest reprezentowany przez α i ta wartość jest ogólnie równa jedności.
Zależność α, β i γ w tranzystorze NPN

Zależność między dwoma parametrami stosunku α i β.

α = Wzmocnienie prądu stałego dla wspólnego obwodu bazowego = prąd wyjściowy/ prąd wejściowy

We wspólnej bazie prąd wyjściowy tranzystora NPN jest prądem kolektora (IC), a prąd wejściowy jest prądem emitera (IE).

α = IC /IE

Ta wartość wzmocnienia prądu (α) jest bardzo zbliżona do jedności, ale mniejsza od jedności.
Wiemy, że prąd emitera jest sumą małego prądu bazy i dużego prądu kolektora.

IE = IC + IB

IB = IE – IC

β = Wzmocnienie prądu stałego dla obwodu wspólnego emitera = prąd wyjściowy/prąd wejściowy

Tutaj prąd wyjściowy jest prądem kolektora, a prąd wejściowy jest prądem bazowym.

β = IC /IB

β = IC / IE (1-α)

β = α/(1-α)

Z powyższych równań zależność między α i β można wyrazić jako

α = β (1-α) = β/(β+1)

β = α (1+β) = α/ (1-α)

Wartość β może wahać się bez problemu od 20 do 1000 dla tranzystorów małej mocy, które działają z wysokimi częstotliwościami. Ale generalnie ta wartość β może mieć wartości w zakresie od 50 do 200.

Zobaczymy teraz zależność między czynnikami α, β i γ.

We wspólnym kolektorze tranzystor NPN wzmocnienie prądowe jest definiowane jako stosunek prądu emitera IE do prądu bazy IB. To wzmocnienie prądu jest reprezentowane przez γ.

γ = IE / IB

Wiemy, że prąd emitera

IE = IC + IB

γ = (IC + IB)/IB

γ = (IC /IB) + 1

γ = β +1

Stąd zależności między α, β i γ podano poniżej

α = β / (β+1), β = α / (1-α), γ = β +1

Przykład obliczeń dla tranzystorów NPN

Oblicz prąd bazy IB, aby przełączyć obciążenie rezystancyjne 4mA bipolarnego tranzystora NPN o wartości wzmocnienia prądowego (β) 110.

IB = IC /β = (4*10 -3 )/110 =36,36uA

Oblicz prąd bazy bipolarnego tranzystora NPN o napięciu polaryzacji 12V i rezystancji bazy wejściowej 220kΩ.

Znamy równanie na prąd bazowy IB:

IB = (VB -VBE )/RB

Znamy wartości,

VBE = 0.7V,

VB = 12 V

RB = 220Ω.

Teraz podstawiamy te wartości w powyższym równaniu,

otrzymujemy,

IB = (VB -VBE )/RB = (12-0,7)/220kΩ = 51,36uA.

Prąd bazy tranzystora NPN wynosi 51,36uA.

Wspólna konfiguracja emitera

Wspólny obwód w konfiguracji emitera jest jedną z trzech konfiguracji BJT. Te wspólne obwody konfiguracji emiterów są używane jako wzmacniacze napięcia. Generalnie tranzystory NPN mają trzy zaciski, ale w połączeniach obwodów musimy wziąć dowolny jeden zacisk jako wspólny. Dlatego używamy jednego z trzech złączy jako wspólnego łącza zarówno dla działań wejściowych, jak i wyjściowych. W tej konfiguracji używamy złącza emiterowego jako wspólnego, dlatego nazywa się go konfiguracją wspólnego emitera.

Ta konfiguracja jest używana jako jednostopniowy obwód wzmacniacza wspólnego emitera . W tej konfiguracji baza pełni rolę złącza wejściowego, kolektor pełni funkcję zacisku wyjściowego, a emiter — zacisku wspólnego. Działanie tego obwodu rozpoczyna się od polaryzacji terminala bazowego tak, aby polaryzować złącze baza-emiter do przodu. Mały prąd w podstawie kontroluje przepływ prądu w tranzystorze. Ta konfiguracja zawsze działa w obszarze liniowym w celu wzmocnienia sygnałów po stronie wyjściowej.

Ten wspólny wzmacniacz emiterowy daje odwrócone wyjście i może mieć bardzo duże wzmocnienie. Na tę wartość wzmocnienia wpływa temperatura i prąd polaryzacji. Obwód wzmacniacza ze wspólnym emiterem jest najczęściej używany w konfiguracji niż inne konfiguracje BJT ze względu na jego wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową, a także ten wzmacniacz konfiguracyjny zapewnia wysokie wzmocnienie napięcia i wzmocnienie mocy.

Wzmocnienie prądowe dla tej konfiguracji jest zawsze większe niż jedność, zwykle typowa wartość wynosi około 50. Te wzmacniacze konfiguracyjne są najczęściej używane w aplikacjach, w których wymagany jest wzmacniacz niskiej częstotliwości i obwody częstotliwości radiowej. Schemat obwodu dla konfiguracji wzmacniacza ze wspólnym emiterem pokazano poniżej.

tranzystor NPN przykładowy obwód wzmacniacza emiterowego

Charakterystyka wyjściowa tranzystora NPN

Poniżej podano rodzinę krzywych charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego. Krzywe pokazują zależność między prądem kolektora (IC) a napięciem kolektor-emiter (VCE) ze zmianami prądu bazy (IB). Wiemy, że tranzystor jest „ON” tylko wtedy, gdy przynajmniej niewielka ilość prądu i niewielka ilość napięcia jest przyłożona do jego zacisku bazowego w stosunku do emitera, w przeciwnym razie tranzystor jest w stanie „OFF”.

tranzystor NPN charakterystyka wyjściowa tranzystora NPN

Na prąd kolektora (IC) największy wpływ ma napięcie kolektora (VCE) na poziomie 1,0 V, ale powyżej tej wartości nie ma dużego wpływu na wartość IC. Już wiemy, że prąd emitera jest sumą prądów bazy i kolektora. tj. IE = IC + IB. Prąd płynący przez obciążenie rezystancyjne (RL) jest równy prądowi kolektora tranzystora. Równanie na prąd kolektora jest podane przez,

IC = (VCC – VCE)/RL

Linia prosta wskazuje „Dynamiczną linię obciążenia”, która łączy punkty A (gdzie VCE = 0) i B (gdzie IC = 0). Obszar wzdłuż tej linii obciążenia reprezentuje „obszar aktywny” tranzystora.

Krzywe charakterystyk konfiguracji wspólnego emitera są używane do obliczania prądu kolektora, gdy podane jest napięcie kolektora i prąd bazy. Linia obciążenia (czerwona linia) służy do określenia punktu Q na wykresie. Nachylenie linii obciążenia jest równe odwrotności oporu obciążenia. tj. -1/RL.
Źródła:
Podstawy Elektroniki – Barbara i Marek Pióro
Podstawy elektrotechniki półprzewodnikowej – Jan Hennel
Elektronika 5 – Augustyn Chwaleba, Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski

5/5 - (2 ocena/y)

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.