Podstawy elektroniki - niezbędnik każdego modera

Tranzystory - sterowany jestem wciąż.

Skoro weszliśmy już w półprzewodniki czas na opis działania tranzystora. Przyznam, że przez bardzo długi czas tranzystor był dla mnie tak kosmicznym elementem, że starałem się go unikać jak ognia. Na pewno wielu początkujących ma podobne odczucia. Tymczasem, podstawowa zasada jego działania jest niezwykle prosta, skomplikowane są dopiero szczegóły, ale na początek można je pominąć ;-).

Tranzystory bipolarne są pierwszymi jakie się pojawiły. Tranzystor ma 3 nóżki, w tym przypadku oznaczone jako kolektor [C], emiter [E] i baza [B]. Dodatkowo dzielą się one na PNP i NPN, ale tym za chwilę. Nóżki w tranzystorach polowych (popularnie i zbyt ogólnie nazywanych MOSFET-ami) oznaczone są jako źródło [S], dren [D] i bramka [G]. Tranzystory te mają już trochę szerszy podział między innymi na: JFET N, JFET P, MOSFET N, MOSFET P i wiele innych również z dalszymi podziałami. Na schematach, tranzystory przedstawia się za pomocą następujących symboli:

Aby wyjaśnić najogólniejszą zasadę działania wszystkich bez wyjątków tranzystorów posłużę się przykładem zaworu do wody. Otóż przyjmijmy, że zawór ten można bardzo lekko otwierać i zamykać i używając bardzo małej siły sterować przepływem w grubej rurze. Można więc powiedzieć, że ów zawór jest wzmacniaczem, gdyż bardzo niewielka siła z jaką działa nasza ręka na kurek steruje o wiele większą siłą z jaką napiera na zawór strumień wody. Tu przy okazji obalę mit wzmacniacza. Dużo osób postrzega wzmacniacz jako urządzenie, które jakimś magicznym sposobem powiększa np. napięcie. Niestety żadna siła nie bierze się znikąd. Tak naprawdę wzmacniacz działa na takiej zasadzie jak wspomniany zawór. Niewielki, słaby sygnał (=nasza ręka) steruje przepływem silnego sygnału dostarczanego ze źródła zasilania (woda w zaworze). Ponieważ sygnał podstawowy steruje przepływem w swój takt więc i sygnał wyjściowy będzie miał ten sam takt, a przy tym będzie znacznie silniejszy (ręka kręci zawór w różne strony i tak samo zmienia się ilość wody przepływająca przez zawór).

Hydrauliczny model tranzystora.

Dokładnie tak działają tranzystory - najprostszy wzmacniacz składa się właśnie z jednego tranzystora! Tutaj czynnikiem sterującym jest prąd dla tranzystorów bipolarnych (PNP prąd "ujemny" względem masy, NPN - "dodatni") i napięcie w przypadku polowych (dodatnie w tranzystorach z kanałem N i ujemne z kanałem P). Dokładnie opiszę tylko tranzystory MOSFET z kanałem N normalnie zamknięte (to pełna nazwa opisywanego typu). Wszystkie inne działają podobnie z zaznaczeniem różnic w polaryzacji (+/-) i czynnika sterującego (napięcie lub prąd).
Wybrałem ten właśnie typ ze względu na sterowanie napięciem (dodatnim) bo skądinąd wiem, że dla początkujących pojęcie "napięcia" jest nieco mniej abstrakcyjne niż "prądu". Poza tym, ma być to poradnik dla moderów, a w komputerze większość elektroniki to cyfrówka. A jak wiadomo, cała technika cyfrowa składa się z dwóch stanów = 0 i 1. W elektronice ich odpowiednikami są stany L i H (Low i High) czyli "minus" (lub brak sygnału) i "plus" (czyli napięcie bliskie zasilającemu). Jak napisałem, stany te są definiowane jako poziomy napięć, a nie prądu i stąd też łatwiej w technice cyfrowej stosować tranzystory polowe niż bipolarne.
W tym miejscu nadmienię jeszcze skąd właściwie wzięła się nazwa tranzystora. Jest to złożenie słów "transformator rezystancji". Spytacie: a cóż to za ustrojstwo? Pomyślcie teraz o opisywanym wcześniej potencjometrze. Jak wiadomo kręcąc jego ośką można zmieniać rezystancję, jeśli użyjemy go jako ograniczenia prądowego, to kręcąc będziemy regulować prąd. A teraz pomyślcie, że możecie sterować wychyleniem potencjometru za pomocą napięcia (choćby podłączając jakiś silniczek elektryczny czy coś takiego pod ośkę potencjometru). Dokładnie tak działa tranzystor MOSFET. Napięcie przyłożone miedzy końcówkę G (czyli bramkę) a masę powoduje odpowiednie do wartości tegoż napięcia "otwarcie" tranzystora, czyli zmienia wartość rezystancji między jego nóżkami D i S (Dren i Źródło), tym samym zmieniając wartość prądu przez nie płynącego. Wartość prądu pobieranego przez bramkę niezależnie od przyłożonego napięcia) jest tak znikoma (bramka jest fizycznie izolowana od reszty struktury - mniejsza o szczegóły) - rzędu mikro czy nawet nano Amperów, że w praktyce można przyjąć, że nie pobiera ona prądu. Dlatego właśnie cyfrowe układy scalone wykonane w technologii MOS (z tranzystorów MOSFET, obecnie głównie CMOS) pobierają bardzo niewiele prądu.

Tutaj podam jeszcze jedno porównanie dla całkowitego rozjaśnienia sprawy tranzystora MOSFET. Kiedy używamy tego elementu w zastosowaniach cyfrowych, jest on zawsze albo całkowicie otwarty albo całkowicie zatkany, tym samym działa jako tak zwany klucz, który można porównać do "pśtyczka", czyli wyłącznika od światła. Naciśnięcie przycisku powoduje zapalenia światła, jego puszczenie zaś zagaszenie. I cała filozofia wyjaśniona ;-). Co prawda popełniłem tu parę bluźnierstw - jakby zobaczyli to wykładowcy to złapaliby się za głowę, ale wszystko to co napisałem sprawdza się w praktyce i można uznać to za "prawie" prawdę ;-).

NE555: Parę słów o tranzystorach bipolarnych należałoby jednak napisać. W przeciwieństwie do tranzystorów polowych, te są sterowane prądem. Spójrz na poniższy schemat ilustrujący działanie tranzystora. Na rysunku a), napięcie sterujące ma wartość zero, a co za tym idzie również prąd bazy wynosi zero - tranzystor jest zamknięty i nie płynie prąd w obwodzie kolektora. Do jego otwarcia potrzebne jest napięcie minimum 0,5V (wynika to z jego budowy), ale w czasie normalnej pracy, napięcie U_BE (między bazą, a emiterem) stale ma wartość 0,6V. Jak widać na rys. b), płynie już pewien prąd bazy I_B. Tranzystor jest otwarty. Prąd kolektora jest iloczynem prądu bazy i współczynnika wzmocnienia tranzystora. Współczynnik ten nosi oznaczenie ß (beta) i charakteryzuje każdy tranzystor bipolarny. Tranzystory małej mocy mają wzmocnienie na poziomie 100...500. Dla tranzystorów mocy liczba ta jest znacznie mniejsza. Aby temu zaradzić stosuje się dwa tranzystory w układzie Darlingtona, ale o tym musisz już doczytać samodzielnie. Jak widzisz, tranzystor rzeczywiście działa jak wzmacniacz.
Zauważ, że w obwodzie bazy jest umieszczony rezystor R ograniczający prąd. Bez niego tranzystor mógłby ulec uszkodzeniu!

Tranzystory, w zależności od dopuszczalnej mocy start (czyli maksymalnym prądem i napięciem przy jakim może pracować tranzystor), są produkowane w różnych obudowach. Oto przegląd najważniejszych typów:

Tranzystory małej mocy. Bipolarne - BC547, BC548. Polowe - BS107, BS250.

Tranzystory średniej mocy. Bipolarne - BD139, BD140.

Tranzystory mocy. Typu NPN - BD243, typu PNP - BD244. Typu MOSFET N - BUZ10, IRF540.