tranzystory1.pdf

II. Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny jest to element elektroniczny z wyprowadzonymi na zewnątrz trzema

końcówkami oznaczonymi (rys. ) :

✔ B – baza (ang. base ),

✔ C – kolektor (ang. collector )

✔ E – emiter (ang. emiter).

Rys. 1: Symbole tranzystorów bipolarnych typu npn i pnp

Struktura wewnętrzna tranzystora składa się z trzech różnoimiennych warstw półprzewodników,

tworzących dwa złącza „pn”(rys. 2) . W zależności od rodzaju zastosowanych półprzewodników,

tranzystor bipolarny określa się jako „npn” lub „pnp”. Na każdym półprzewodniku napylane są

kontakty metalowe, z których odprowadzane są na zewnątrz końcówki tranzystora bipolarnego.

Rys. 2: Struktura wewnętrzna tranzystora n-p-n

1. Punkt pracy

Proces projektowania analogowych układów elektronicznych z zastosowaniem tranzystorów często

rozdziela się na dwa etapy: pracę w stanie ustalonym i pracę z sygnałami zmiennymi. W pierwszym

etapie określa się statyczne warunki pracy tranzystora, czyli prąd bazy: I B , prąd kolektora: I C , a

także napięcie kolektor-emiter: U CE . Konkretne wartości tych wielkości jednoznacznie określają

miejsce na charakterystykach tranzystora. Zbiór tych parametrów określa się także jako punkt pracy

tranzystora. W podrozdziale 5. przedstawiono podstawowe układy służące do polaryzacji napięć i

prądów tranzystora w wybranym punkcie z charakterystyki. Podrozdział 6. omawia pracę

dynamiczną tranzystora i prezentuje podstawowe jednostopniowe (z jednym tranzystorem) układy

wzmacniające.

5. Podstawowe układy polaryzacji

Zasadę działania tranzystora bipolarnego można zapamiętać w postaci prostej reguły: tranzystor

dopasowuje rezystancję złącza kolektor-emiter w taki sposób, aby przez złącze kolektor-

emiter przepływał prąd I C równy co do wartości  I B :

Katedry Automatyki - AGH,

str. 5

I C = I B ...........................................................................................................................(1)

U ZAŚ

U R 1

I B

U CE

I C

I B

U CE

U R 1

Rys. 3 : Zasada działania

tranzystora bipolarnego typu npn

Rys. 4 : Zasada działania

tranzystora bipolarnego typu pnp

Rysunki 3 i 4 przedstawiają układy pomocne w analizie powyższej reguły. Pierwszy zawiera

tranzystor typu npn, a drugi pnp. Oba schematy są komplementarne, tzn. zaprezentowane poniżej

wzory i analizy mają zastosowanie do obu układów. Podstawowe różnice pomiędzy tranzystorem

npn i pnp wynikają z kierunku prądów tranzystora. Prąd I B wpływa do bazy tranzystora typu npn,

a wypływa z bazy tranzystora pnp, oraz prąd I C płynie od kolektora do emitera w tranzystorze

npn, a w tranzystorze pnp od emitera do kolektora.

Dla obu układów (rys. 3 i 4) obowiązuje :

I E = I B  I C .

Prąd kolektora wyraża się zależnością:

I C = I B ⇒ I B = I C / .

Ponieważ ≫1 , zatem I B ≪ I C , dlatego w rozważaniach często przyjmuje się I E = I C .

Napięcie kolektor-emiter wyznacza się z rozkładu napięć w oczku U ZAŚ − R 1− Q 1 CE :

U ZAŚ = U R 1  U CE ⇒ U CE = U ZAŚ − I C R 1= U ZAŚ − I B R 1

Przykład 1 Analiza statyczna prostego układu z tranzystorem bipolarnym

W układach z rys. 3 i 4 napięcie zasilania wynosi 10V, prąd bazy ustalono zewnętrznym układem

na wartość 10μA, a wzmocnienie prądowe tranzystora β jest równe 100. Zatem tranzystor dobierze

taką rezystancję złącza kolektor-emiter, aby przez rezystor R 1, szeregowo połączony ze złączem

kolektor-emiter, popłynął prąd:

I C = I B =100⋅10A=1mA .

Prąd o takiej wartości popłynie przez tranzystor, gdy rezystancja zastępcza szeregowego

połączenia: złącze C-E – rezystor R 1, wynosi:

R ZAST = U ZAŚ / I C =10V/1mA=10k . Znając wartość R 1 łatwo wyliczyć, że tranzystor ustali

rezystancję złącza C-E: R CE = 9k . Zatem napięcie zasilania podzieli się na złączu i rezystorze w

następujący sposób:

U R1 = I C R1 =1mA⋅1k=1V .........................................................................................(2)

U CE = I C R CE =1mA⋅9k=9V .

W praktycznych obliczeniach nie wyznacza się wartości rezystancji złącza C-E, tylko bezpośrednio

wartość napięcia, jaka się na nim odkłada. Dla rozważanego przypadku np. ze wzoru:

Katedry Automatyki - AGH,

str. 6

U CE = U ZAŚ − I C R 1=10V−1mA⋅1k=9V ..................................................................(3).

Jeżeli elementy obwodu polaryzującego tranzystor są tak dobrane, że wartość napięcia odkładająca

się na złączu C-E należy przedziału U CE ∈0, U ZAŚ  , czyli I C = I B , to taki stan pracy tranzystora

nazywa się aktywnym . Zgodnie z podstawową regułą, według której tranzystor reguluje

przepływem prądów jest zachowanie zgodności ( 1) pomiędzy prądem bazy i kolektora. Gdyby w

omawianych układach zmieniono rezystancję R 1 na wartość np. 3k, to tranzystor, aby zachować

ten sam prąd w obwodzie kolektora I C =1mA , zmniejszy rezystancję złącza C-E do wartości

zapewniającej przepływ takiego właśnie prądu. Wraz ze zmianą R CE zmieni się także rozkład

napięć. W nowej sytuacji: nadal I C =1mA , ale U R1 =3V , a U CE =7V .

Wnioski (dotyczy pracy aktywnej)

● Prąd kolektora, nie zależy od wartości rezystora R 1, tylko od wartości prądu bazy.

● Zmiana wartości rezystancji R 1 wpływa tylko na rozkład napięć w obwodzie kolektora.

● Regułę ( 1) można także wyrazić w postaci: tranzystor „ustawia” napięcie złącza C-E: U CE

w taki sposób, aby prąd kolektora I C = I B . Ta interpretacja zasady działania tranzystora

jest poprawna dla pracy aktywnej tranzystora, nie obowiązuje dla stanu nasycenia.

Przykład 2 Praca tranzystora bipolarnego w stanie zatkania i nasycenia

W układach z rys. 3 i 4 napięcie zasilania wynosi 10V, prąd bazy ustalono zewnętrznym układem

na wartość 0A, a wzmocnienie prądowe tranzystora β (podobnie jak w poprzednim przykładzie),

wynosi 100. Tak więc, prąd kolektora tranzystora:

I C = I B =100⋅0A=0A .

Zgodnie z zasadą działania tranzystora bipolarnego, zostanie ustalona taka wartość rezystancji

złącza C-E, aby żaden prąd nie płynął przez kolektor, czyli R CE =∞ . Tak ustalone warunki pracy

tranzystora bipolarnego nazywa się pracą w stanie zatkania .

Zwiększanie prądu bazy powoduje proporcjonalny do wzrostu spadek napięcia na złączu CE, aż do

granicznej wartości, w której osiągnie ono wartość zero.

Załóżmy teraz, że prąd bazy został zwiększony do wartości: I B =100A . Wówczas, aby przez

kolektor płynął prąd I C =100⋅100A=10mA przy wartości R 1=1k i U ZAŚ =10V ,

rezystancja złącza C-E musi wynosić 0 . Zatem napięcie kolektor-emiter zmniejszy się do

wartości U CE =0V , a napięcie zasilania w całości odłoży się na rezystorze R 1. Stan ten nazywa się

stanem nasycenia tranzystora, a prąd bazy, przy którym napięcie kolektor emiter zmniejsza się do

wartości U CE =0V , nazywa się prądem nasycenia: I B SAT (ang. saturation ). Ponieważ tranzystor

nie może ustawić mniejszej rezystancji złącza C-E niż zero, dalszy wzrost prądu bazy nie

spowoduje żadnych zmian ani wartości prądu kolektora, ani tym samym w rozkładzie napięć

U R1 i U CE . Tak więc w stanie nasycenia spełniona jest nierówność  I B ≥ I C . Im bardziej lewa

strona tej nierówności jest większa od prawej, w tym głębszym nasyceniu znajduje się tranzystor.

Wnioski i uwagi (dotyczy układów z rys. 3 i )

● W stanie zatkania tranzystora, dla R1 ≪ R CEoff , prawie całe napięcie zasilania odłoży się na

złączu C-E.

● W rzeczywistych tranzystorach rezystancja złącza C-E w stanie zatkania: R CEoff jest rzędu

kilku M , a prąd przepływający przez kolektor w stanie zatkania jest rzędu A .

Katedry Automatyki - AGH,

str. 7

● W stanie nasycenia, prawie całe napięcie zasilania odkłada się na rezystorze R 1, a prąd

nasycenia kolektora I C SAT = U ZAŚ / R 1 .

● W praktycznych aplikacjach, rezystancja złącza C-E, tranzystora pracującego w stanie

nasycenia, nie jest dokładnie równa 0 , a tylko zbliżona do tej wartości. Z reguły, w stanie

nasycenia na złączu C-E odkłada się napięcie o wartości z przedziału (0,1V , 0,2V) - dla

tranzystorów małej mocy, oraz o wartości nawet 0,4V - dla tranzystorów dużej mocy.

Rysunki 5 i 6 przedstawiają graficzne rozwiązanie rozważań przeprowadzonych w przykładach 1 i

2 dla: U ZAŚ =10V , =100 i R 1=1k.

stan zatkania

stan zatkania U CE =10V

I C SAT

U R 1

obszar pracy

aktywnej

obszar pracy

aktywnej

U CE

I B [μA]

-1

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Rys. 5: Wykres zależności prądu kolektora: I C od prądu

bazy: I B dla R 1 = 1 kΩ

Rys. 6: Wykres zależności napięć: U CE i U R 1 od prądu

bazy: I B dla R 1 = 1 kΩ

Przykład 3 Odpowiedź układu tranzystorowego na zmiany prądu bazy

W układach jak na rys. 3 i napięcie zasilania wynosi 10V, wzmocnienie prądowe tranzystora:

β = 100, a R 1=1k Prąd bazy tranzystora jest zmienny w czasie, oscyluje wokół stałej

wartości: I B0 =70A , z amplitudą: A B =15A . Zmiany w czasie prądu bazy przedstawia rys. 7.

U R 1

I B0 =70

1,5V

A B =15μA

U CE

1,5V

t [s]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Rys. 7: Zmiany w czasie prądu bazy

Rys. 8: Zmiany w czasie napięć U CE i U R 1

W każdej chwili czasu dla prądu kolektora spełnione jest równanie I C = I B . W związku z tym I C

także oscyluje wokół wartości I C0 = I B0 =100⋅70A=7mA , z analogicznie wyliczoną amplitudą:

A C =1,5 mA . Oczywiście zmiany w czasie prądu kolektora pociągają za sobą także zmiany

napięcia na rezystancji R 1 oraz zmiany napięcia U CE = U ZAŚ − U R 1 . Wartości tych zmian wyliczone

na podstawie ( 2) i (3) przedstawia rys. 8.

Rozważmy teraz taki sam układ, w którym rezystancję R 1 zwiększono do wartości 1,25 k .

Zmiany prądu bazy są takie same jak na rys. 7. Zgodnie ze wzorem ( 1) , zmianom prądu bazy

odpowiadają zmiany prądu kolektora o amplitudzie A C =1,5 mA wokół wartości I C0 =7mA .

Katedry Automatyki - AGH,

str. 8

Tranzystor znajduje się w stanie nasycenia, gdy prąd bazy jest na tyle duży, że aby spełnić równanie

( 1) , tranzystor „musi” obniżyć napięcie U CE do wartości 0V. Prąd nasycenia kolektora jest

jednocześnie maksymalnym prądem, jaki może płynąć w obwodzie kolektora i wynosi:

I CSAT = U ZAŚ / R 1 .

Zwiększenie rezystancji R 1 powoduje więc zmniejszenie wartości prądu nasycenia. Dla nowej

rezystancji R 1, nowy prąd nasycenia wynosi:

I C SAT =10V/1,25 k =8mA .

Wynika z tego, że prąd kolektora nie może przekroczyć wartości 8mA. Odpowiada to:

I BSAT = I CSAT /100=80A .

Zatem dla wszystkich wartości prądu bazy powyżej 80A prąd kolektora jest stały i wynosi

8 mA. Sytuację tę obrazuje graficznie rys. 9.

teoretyczna wartość

I C =βI B

U R 1

nasycenie

nasycenie prądu

I C SAT = 8mA

U CE

t [s]

-1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Rys. 9: Efekt nasycenia prądu kolektora

Rys. 10: Przebieg zmian napięć U CE i U R 1

Zmiany prądu kolektora mają bezpośredni wpływ na rozkład napięć w obwodzie kolektora:

U R 1 = I C R 1 ......................................................................................................................(4),

oraz

U CE = U ZAŚ − U R 1 .............................................................................................................(5).

Rozwiązanie powyższych równań: ( 4) i ( 5) przedstawiono graficznie na rys. 10.

Wnioski i uwagi (dotyczy pracy w obszarze aktywnym)

● Wzrost prądu bazy powoduje wzrost prądu kolektora i wzrost napięcia na rezystorze R 1 oraz

zmniejszenie napięcia na złączu C-E,

● Zmniejszenie prądu bazy powoduje spadek prądu kolektora, zmniejszenie napięcia na

rezystorze R 1 oraz wzrost napięcia na złączu C-E,

● Zmiany napięcia na rezystorze R1 są zgodne ze zmianami prądu bazy, a zmiany napięcia na

złączu C-E są przesunięte w fazie o 180° względem zmian prądu bazy.

● Stosunek prądu kolektora do prądu bazy jest stały i wynosi  .

● Wielkość zmian napięcia na R 1 w funkcji zmian prądu bazy zależy nie tylko wartości

wzmocnienia prądowego: , ale także od wartości rezystancji R 1:

Katedry Automatyki - AGH,

str. 9

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: