Tranzystor PNP podstawy – praca, przykładowy obwód, aplikacje

Tranzystor PNP to rodzaj tranzystora bipolarnego z angielskiego BJT (Bipolar Junction Transistor). Budowa tranzystora PNP jest zupełnie inna niż tranzystora NPN. Dwie diody typ PN w strukturze tranzystora PNP są odwrócone w stosunku do tranzystora NPN, tak jak dwa domieszkowane materiały półprzewodnikowe typu P są oddzielone cienką warstwą materiału półprzewodnikowego domieszkowanego typu N.

W tranzystorze PNP głównymi nośnikami prądu są dziury, a elektrony są mniejszościowymi nośnikami prądu. Wszystkie polaryzacje napięcia zasilającego przyłożone do tranzystora PNP są odwrócone. W tranzystorze PNP prąd spływa do bazy. Mały prąd bazowy w PNP ma możliwość kontrolowania dużego prądu emiter-kolektor, ponieważ jest to urządzenie sterowane prądem.

Strzałka dla tranzystorów BJT znajduje się zawsze na zacisku emitera, a także wskazuje kierunek przepływu konwencjonalnego prądu. W tranzystorze PNP ta strzałka wskazuje jako „wskazująca”, a kierunek prądu w PNP jest całkowicie przeciwny do tranzystora NPN. Budowa tranzystora PNP jest całkowicie przeciwna do tranzystora NPN. Ale charakterystyka i działanie tranzystora PNP są prawie takie same jak tranzystora NPN z niewielkimi różnicami. Symbol i strukturę tranzystora PNP pokazano poniżej.

Powyższy rysunek przedstawia budowę jak i symbol tranzystora PNP. Ten tranzystor składa się z 3 zacisków są nimi emiter (E), kolektor (C) i baza (B). Tutaj, jeśli zaobserwujesz, prąd bazy wypływa z bazy w przeciwieństwie do tranzystora NPN. Napięcie emitera jest dodatnie w stosunku do bazy i kolektora.

Działanie tranzystora PNP

Poniżej przedstawiono połączenie obwodu tranzystora PNP z napięciami zasilania. Tutaj terminal bazowy ma ujemne napięcie polaryzacji w stosunku do emitera, a terminal emitera ma dodatnie napięcie polaryzacji w stosunku do bazy jak i kolektora.

Polaryzacja i kierunki prądu są tutaj odwrotne w porównaniu z tranzystorem NPN. Jeśli tranzystor jest podłączony do wszystkich źródeł napięcia, jak pokazano powyżej, prąd bazowy przepływa przez tranzystor, ale tutaj napięcie bazowe musi być ujemne w stosunku do emitera, aby zadziałał tranzystor. Tutaj złącze baza-emiter działa jak dioda. Niewielka ilość prądu w bazie kontroluje przepływ dużego prądu przez emiter do obszaru kolektora. Napięcie bazowe wynosi na ogół 0,7 V dla Si i 0,3 V dla germanowych.

Tutaj terminal bazowy działa jako wejście, a obszar emiter-kolektor działa jako wyjście. Napięcie zasilania V_CC jest podłączone do zacisku emitera, a rezystor obciążenia (R_L) jest podłączony do złącza kolektora. Rezystor obciążeniowy R_L służy do ograniczania maksymalnego przepływu prądu tranzystor. Jeden rezystor R_B jest połączony z zaciskiem bazy, który służy do ograniczenia maksymalnej przepływ prądu przez terminal bazy, a także napięcie ujemne jest dostarczany do bazowej. Tutaj prąd kolektora jest zawsze równy odjęciu prądu bazy od prądu emitera. Podobnie jak tranzystor NPN, tranzystor PNP ma również aktualną wartość wzmocnienia β. Zobaczmy teraz zależność między prądami a wzmocnieniem prądu β.

Prąd kolektora I_C wyrażony jest wzorem:

I_C = I_E – I_B

Wzmocnienie prądu stałego (β) dla tranzystora PNP jest takie samo jak dla tranzystora NPN.

Wzmocnienie prądu stałego = β = prąd wyjściowy/prąd wejściowy

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

β = I_C /I_B

Z tego równania otrzymujemy:

I_B = I_C/β

I_C = βI_B

A także definiujemy obecny zysk jako wzmocnienie prądu = prąd kolektora/prąd emitera (we wspólnej bazie tranzystora)

α = I_C/I_E

Zależność między α i β dana jest wzorem,

β = α/(1- α) i α = β/(β+1)

Prąd kolektora w tranzystorze PNP jest określony wzorem,

I_C = – αI_E + ICBO [gdzie ICBO jest prądem nasycenia tranzystora]

Ponieważ IE = -(I_C + IB)

I_C = – α (-(I_C + I_B )) + I_CBO

I_C – αI_C = αI_B + I_CBO

I_C (1- α) = α I_B + I_CBO

I C = (α/ (1- α)) I B + I_CBO/ (1- α)

Ponieważ β = α/(1- α)

Teraz otrzymujemy równanie na prąd kolektora

I_C = βI_B + (1+β) I_CBO

Charakterystyka wyjściowa tranzystora PNP jest taka sama jak charakterystyka tranzystora NPN. Mała różnica polega na tym, że krzywa charakterystyki tranzystora PNP obraca się o 180 0, aby obliczyć wartości napięć i prądów o odwrotnej polaryzacji. Linia obciążenia dynamicznego istnieje również na krzywej charakterystycznej do obliczenia wartości punktu Q. Tranzystory PNP są również używane w obwodach przełączających i wzmacniających, takich jak tranzystory NPN.

Przykład obliczeń dla tranzystora PNP

Rozważ tranzystor PNP, który jest podłączony w obwodzie z napięciami zasilania V_B = 1,5V, V_E = 2V, +V_CC = 10V i –V_CC = -10V. Układ ten, a także połączony z rezystorami R_B = 200kΩ i R_E = R_C oraz R_L = 5k. Teraz oblicz aktualne wartości wzmocnienia (α, β) tranzystora PNP.

V_B = 1,5 V

VE = 2V

+V_CC = 10 V i –V_CC = -10 V

R_B = 200kΩ

R_E = R_C oraz R_l = 5k

Prąd bazowy

I_B = V_B / R_B = 1,5 / (200 * 10³ ) = 7.5μA.

Prąd emitera

I_E = V_E/R_E = (10-2)/(5*10³ ) = 8/(5*10³) = 1,6 mA.

Prąd kolektora

I_C = I_E – I_B = 1,6*10^-3 – 7,5*10^-6= 1,59 mA.

Teraz musimy obliczyć wartości α i β,

α = I_K/I_E = 1,59*10^-3/1,6*10^-3 = 0,995

β = I_C/I_B = 1,59*10^-3/7,5*10^-6 = 212

Na koniec otrzymujemy aktualne wartości wzmocnienia zrównoważanego tranzystora PNP,

α = 0,995 i β = 212

Identyfikacja tranzystora PNP

Generalnie tranzystory PNP utożsamiamy z ich strukturą wewnętrzną. Mamy pewne różnice w strukturze zarówno tranzystorów NPN, jak i PNP. Kolejną cechą która umożliwia nam ich szybką identyfikację jest to, że na ogół tranzystor PNP wyłącza się dla napięcia dodatniego i i analogicznie załącza się, gdy jest mały prąd wyjściowy jak i ujemne napięcie u podstawy w stosunku do emitera. Ale aby je najskuteczniej zidentyfikować, używamy innej techniki, obliczając rezystancję między trzema zaciskami, takimi jak podstawa, emiter i kolektor.

Mamy kilka standardowych wartości rezystancji do identyfikacji tranzystorów NPN i PNP. Konieczne jest przetestowanie każdej pary zacisków w obu kierunkach pod kątem wartości rezystancji, więc łącznie potrzeba sześciu testów. Proces ten jest bardzo przydatny do łatwej identyfikacji tranzystora PNP. Teraz widzimy zachowanie operacyjne każdej pary terminali.

• Baza-emitera: Baza emitera działa jak dioda, ale przewodzi tylko w jednym kierunku.
• Kolektor-baza: obszar kolektor-baza działa również jako dioda, która przewodzi tylko w jednym kierunku.
• Emiter-kolektor: emiter-kolektor wygląda jak dioda, ale nie przewodzi w żadnym kierunku.

Tranzystor PNP jako przełącznik (przykład)

Obwód na powyższym rysunku przedstawia tranzystor PNP działający jako przełącznik. Działanie tego układu jest banalnie proste, jeśli baza tranzystora jest podłączona do masy (czyli napięcia ujemnego) to tranzystor PNP jest w tak zwanym stanie 'ON’, teraz napięcie zasilania na emiterze przewodzi i pin wyjściowy jest podciągnięty do góry do większego napięcia. Jeśli pin wejściowy jest podłączony do stanu wysokiego (napięcia dodatniego), to tranzystor jest wyłączony „OFF”, więc napięcie wyjściowe musi być niskie. Ta operacja pokazuje warunki przełączania tranzystora PNP ze względu na ich stany ON i OFF.

Źródła:
Podstawy Elektroniki – Barbara i Marek Pióro
Podstawy elektrotechniki półprzewodnikowej – Jan Hennel
Elektronika 5 – Augustyn Chwaleba, Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski