Tranzystory bipolarne – Jak to działa?

Mało kto spośród praktykujących elektroników pamięta dziś czasy, w których zwykły, bipolarny tranzystor był towarem na wagę złota, a elektroniką – zarówno urządzeniami audio, jak i aparaturą sterującą, medyczną czy pomiarową – niepodzielnie rządziły lampy elektronowe. Wynalezienie i upowszechnienie tranzystora spowodowało ogromny przeskok technologiczny, który pociągnął za sobą daleko idące konsekwencje – wkrótce po „zadomowieniu się” w elektronice dyskretnych (pojedynczych) tranzystorów, nastąpiła ekspansja coraz to bardziej złożonych układów scalonych. One wszystkie jednak w swojej strukturze zawierały przede wszystkim tranzystory – wykonane w postaci pojedynczej płytki krzemowej, odpowiednio wytrawionej w złożonym procesie technologicznym, przebiegającym w pomieszczeniach o niespotykanej w innych gałęziach techniki czystości. Tak też pozostało do dziś – choć wspomniane elementy dawno ustąpiły miejsca lepszym pod wieloma względami tranzystorom polowym (głównie MOSFET), to poczciwe tranzystory bipolarne nadal mają się doskonale. Im właśnie poświęciliśmy ten artykuł. Jeżeli dopiero zaczynasz swoją przygodę z elektroniką, w tym miejscu dowiesz się, jak działa tranzystor (innymi słowy: co robi), do czego służy oraz jak podłączyć go w różnego rodzaju zastosowaniach.

Tranzystor – co to jest?

Gdybyśmy mieli określić działanie i przeznaczenie tranzystora bipolarnego w jednym, zwięzłym zdaniu, brzmiałoby ono następująco:

„Tranzystor bipolarny to trzykońcówkowy element półprzewodnikowy, zdolny do wzmacniania prądu.”


Ale co to znaczy, że element (lub układ) wzmacnia sygnał? W żadnym wypadku nie należy tego zdania rozumieć w ten sposób, że w magiczny sposób nasz tranzystor „dokłada” energii, generując np. jeden amper prądu wyjściowego po zasileniu go znacznie mniejszym prądem. Prawda jest inna: tranzystor „przepuszcza” większy prąd (z zasilacza) po wysterowaniu go prądem o znacznie niższej wartości. Dzięki temu możliwe jest sterowanie obciążeniem (np. elementem wykonawczym – przekaźnikiem, silnikiem, elektromagnesem, żarówką czy diodą LED) za pomocą niewielkiego prądu, dostarczanego np. przez port mikrokontrolera. Stosując pewne tricki układowe, można za pomocą tranzystora bipolarnego zbudować bardzo przyzwoity przedwzmacniacz audio, a nawet… solidną końcówkę mocy. Zanim jednak przejdziemy do opisu konkretnych zastosowań, poznajmy nieco bliżej naszego głównego bohatera – zarówno jego anatomię, jak i umiejętności oraz… pewne wady, których – mimo rozwoju technologii półprzewodnikowych – nie udało się zlikwidować.

Budowa tranzystora bipolarnego

Tranzystory bipolarne zawierają w swojej obudowie płytkę krzemową (dawniej germanową), której struktura została zmodyfikowana w procesie produkcji poprzez tzw. domieszkowanie – czyli taką zmianę mikrostruktury materiału bazowego, by wytworzyć trzy sąsiadujące ze sobą obszary, różniące się rodzajem nośników prądu. Jeżeli dwa obszary skrajne mają nadmiar elektronów (czyli ładunków ujemnych – ang. „negative”), a środkowy obszar ma nadmiar tzw. „dziur”(czyli ładunków dodatnich – ang. „positive”), mówimy o tranzystorze NPN. W przeciwnym przypadku mamy do czynienia z tranzystorem PNP, różniącym się od poprzednika tym, że wszystkie płynące przezeń prądy i występujące na końcówkach tranzystora napięcia, są skierowane dokładnie przeciwnie. Budowę tranzystora można zatem wyobrazić sobie jak – nieco skromną – kanapkę, w której pomiędzy dwiema kromkami chleba mamy cienki plaster szynki bądź sera (jak pokazano na schemacie).

Analogia taka, choć wydaje się być banalna, ma pewien sens – obszar środkowy w strukturze tranzystora bipolarnego faktycznie jest bardzo cienki, w porównaniu do dwóch obszarów z nim sąsiadujących. Środkowy obszar jest połączony z wyprowadzeniem tranzystora, zwanym bazą – zaś dwa obszary okalające nazywamy emiterem oraz kolektorem. Pomiędzy poszczególnymi obszarami (kolektorem a bazą oraz emiterem i bazą) występują obszary przejściowe, zwane złączami P-N – nie różniącymi się zbytnio od złączy, znanych ze zwykłych, krzemowych diod prostowniczych. Dlatego też tranzystor można (w uproszczeniu) zamodelować za pomocą dwóch diod, połączonych ze sobą anodami (w przypadku tranzystora NPN) lub katodami (PNP). Możesz to łatwo sprawdzić, dokonując pomiaru napięcia przewodzenia pomiędzy odpowiednimi końcówkami tranzystora, za pomocą odpowiedniej funkcji (oznaczonej symbolem diody), dostępnej w prawie każdym multimetrze cyfrowym – dawniej z powodzeniem wykorzystywano w tym celu zwykły omomierz (patrz: schemat).

Zasada działania tranzystora bipolarnego

Model diodowy – jakkolwiek słuszny z punktu widzenia polaryzacji poszczególnych końcówek – nie wyjaśnia jednak, jak tranzystor działa. Choć w rzeczywistości działanie tranzystora (podobnie zresztą, jak w przypadku wszystkich innych elementów półprzewodnikowych) opiera się na dość skomplikowanych i trudnych zjawiskach tzw. fizyki ciała stałego, opisywanych przez zestawy wzorów i równań matematycznych, możemy pozwolić sobie na pewne uproszczenie. Przyjmijmy, że tranzystor może być zamknięty (wtedy praktycznie żaden prąd nie przepływa pomiędzy jego emiterem, a kolektorem), albo otwarty (prąd przepływa bez większych przeszkód). Do otwarcia tranzystora konieczne jest spolaryzowanie jego złącza baza-emiter, tzn. przyłożenie do niego napięcia, niezbędnego do – choćby częściowego – otwarcia tranzystora. Jak wiadomo, dla diody krzemowej napięcie przewodzenia (czyli napięcie występujące pomiędzy anodą, a katodą, gdy przez diodę przepływa prąd) wynosi od 0,5V do 0,8V. W tranzystorach bipolarnych nie jest inaczej – tutaj także pomiędzy bazą a emiterem, w stanie otwarcia tranzystora panuje napięcie około 0,6 V. Po właściwym spolaryzowaniu złącza baza-emiter, przez obwód kolektor-emiter może płynąć prąd o wartości wielokrotnie większej, niż prąd płynący przez złącze baza-emiter. Co ważne, symbol tranzystora bipolarnego czerpie niejako z modelu diodowego – strzałka, wskazująca emiter, ma kierunek zgodny z diodą złącza baza-emiter, dzięki czemu łatwo zapamiętać, który symbol oznacza którą wersję tranzystora.

Polaryzacja tranzystora – czyli co i jak działa (a raczej – z której strony)?

Jak już wcześniej wspomnieliśmy, tranzystory NPN różnią się od tranzystorów PNP polaryzacją, czyli kierunkami prądów i napięć podczas pracy. Warto zapamiętać sobie następujące zasady, które są słuszne dla wszystkich dostępnych na rynku tranzystorów bipolarnych (w tym także tych, które tworzą złożone układy starszych układów scalonych).

Otwarcie tranzystora NPN wymaga, by napięcie bazy było wyższe o około 0,6V od napięcia emitera. Jeżeli napięcie na kolektorze także będzie wyższe od napięcia na emiterze, prąd będzie mógł wpływać do kolektora i wypływać przez emiter.

Dla tranzystorów PNP zasada jest dokładnie przeciwna: otwarcie tranzystora PNP wymaga, by napięcie bazy było niższe o około 0,6V od napięcia emitera. Jeżeli napięcie na kolektorze także będzie niższe od napięcia na emiterze, prąd będzie mógł wpływać do emitera i wypływać przez kolektor.

Oczywiście, przez bazę także popłynie niewielki prąd, zwany – nie inaczej – prądem bazy. Wartość ta będzie jednak wielokrotnie mniejsza, niż prąd kolektora, a obydwa prądy „spotkają się” w emiterze. Dlatego też, w typowych warunkach pracy, prąd emitera zawsze jest nieco większy (właśnie o wartość prądu bazy), niż prąd kolektora. W ten sposób doszliśmy do pierwszego, bardzo ważnego wzoru, opisującego działanie tranzystora bipolarnego:

IE = IC + IB

gdzie kolejne oznaczenia dotyczą odpowiednio prądów: emitera, kolektora oraz bazy.

Wcześniej wspomnieliśmy, że wartość prądu kolektora jest wielokrotnie wyższa, niż prąd bazy. Tę wielokrotność określa jeden z najważniejszych parametrów, charakteryzujących tranzystory bipolarne: jest to wzmocnienie prądowe tranzystora, określane jako beta (β) lub hFE. Współczynnik ten określa stosunek prądu kolektora do prądu bazy, co możemy zapisać wzorem:

IC = β IB,

bądź też w formie przekształconej:

β = IC / IB.

Jak to zwykle bywa, sytuacja nie jest tak prosta, jak można byłoby wnioskować na podstawie prostych wzorów. Wzmocnienie prądowe nie jest bowiem parametrem stałym – i nie chodzi tylko o rozrzut produkcyjny, który może wynosić nawet kilkaset procent dla tranzystorów tego samego typu. Parametr ten zmienia się bowiem także z temperaturą, a nawet wartością prądu kolektora – tak więc trudno byłoby wyobrazić sobie budowę wzmacniacza o sensownych parametrach, który bazowałby jedynie na współczynniku hFE. Na szczęście jednak niedoskonałości tranzystorów bipolarnych można – jeżeli jest taka potrzeba – zniwelować za pomocą wspomnianych wcześniej tricków układowych. Jednym z nich jest zastosowanie tzw. ujemnego sprzężenia zwrotnego, polegającego na intencjonalnym obniżaniu wartości sygnału wejściowego w miarę wzrostu sygnału na wyjściu układu. Inaczej mówiąc – część sygnału z wyjścia jest kierowana na wejście w taki sposób, by sygnał samoczynnie się osłabiał. Dzięki temu układ sam „hamuje” swoje działanie, co powoduje doskonałą stabilizację wynikowego wzmocnienia. Właśnie tego typu „sztuczki” są podstawą działania tzw. układów pracy tranzystorów bipolarnych, spośród których najczęściej stosuje się układy ze wspólnym emiterem oraz wspólnym kolektorem, znacznie rzadziej natomiast układy ze wspólną bazą. Określenia te opisują, która z końcówek tranzystora jest niejako wspólna dla obwodów: wejściowego oraz wyjściowego. Ponieważ jednak omówienie układów pracy tranzystorów wymagałoby znacznie szerszego opisu i wprowadzenia pewnych dodatkowych wzorów, w tym skrótowym artykule nie będziemy się na nich skupiać – zamiast tego, pokażemy najbardziej przydatne – szczególnie dla początkujących – i najczęściej używane scenariusze zastosowania tranzystorów bipolarnych, spotykane w codziennej praktyce.

Klucz tranzystorowy

Jak już wspomnieliśmy na początku artykułu, tranzystor może pracować w stanie zamkniętym (brak przepływu prądu przez kolektor), bądź otwartym (przepływ prądu „bez większych przeszkód”). W takich właśnie stanach pracują klucze tranzystorowe. Tranzystor jako przełącznik, sterowany małym prądem bazy, pozwala na załączanie dużych (a nawet ogromnych) obciążeń prądowych, do tego w sposób szybki i nie wiążący się z mechanicznym zużywaniem styków (co ma miejsce w przekaźnikach i klasycznych przełącznikach). W zależności od potrzeb, w roli przełącznika można stosować zarówno tranzystory NPN, jak i PNP – obydwa przypadki są przedstawione na schemacie.

Trzeba pamiętać, że tranzystor NPN najlepiej sprawdza się jako klucz przełączający „od dołu” (ang. low-side switch), co oznacza, że emiter jest podłączony do masy, a obciążenie – włączone pomiędzy kolektor, a napięcie zasilania. Taki układ daje dodatkową zaletę – pozwala sterować obciążeniem, zasilanym napięciem nawet kilkukrotnie przewyższającym napięcie zasilania arduino lub innego układu sterującego bazą tranzystora. Podanie dodatniego napięcia na bazę tranzystora (przez rezystor ograniczający prąd, tzw. rezystor bazowy – RB) włącza tranzystor, zaś stan niski – wyłącza, odcinając obciążenie od zasilania. Prąd bazy wynosi w takim przypadku:

IB = (Uwe-UBE)/RB

przy czym warto dobrać taką wartość rezystora, aby przy minimalnym wzmocnieniu tranzystora, pracował on nadal w stanie nasycenia – co oznacza, że dalsze zwiększanie prądu bazy nie spowoduje już zwiększania prądu kolektora. Odpowiednie wartości można odczytać z charakterystyk tranzystorów, udostępnianych przez producentów – przykład przedstawiono na wykresie nr 1 w pliku: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/BC546.pdf .

Przykładowo, jeżeli tranzystorem BC546 trzeba włączyć obciążenie, pobierające (przy napięciu zasilania 12 V) prąd rzędu 50 mA, prąd bazy powinien wynosić przynajmniej 250 uA – wtedy tranzystor znajdzie się w stanie nasycenia. Jeżeli tranzystor będzie sterowany za pomocą portu mikrokontrolera AVR (stan wysoki równy 5 V), to wartość rezystora wyniesie:

RB = (Uwe-UBE) / IB = (5 V – 0,6 V) / 250 uA = 17,6 kΩ.

Warto jednak przyjąć wartość niższą – tak, aby mieć pewność, że niezależnie od wahań wzmocnienia nasz tranzystor zawsze będzie pracował w stanie nasycenia. W tym przypadku wartość rzędu 10 kΩ powinna być wystarczająca nawet przy najniższych wartościach wzmocnienia (dla wersji BC546A wzmocnienie prądowe może spaść nawet do 110 A/A). Często przyjmuje się wartości jeszcze niższe – np. kilka kiloomów – należy jednak zawsze pamiętać o tym, by nie przekroczyć prądu bazy, gdyż może to spowodować uszkodzenie (spalenie) tranzystora. W przypadku tranzystorów średniej i dużej mocy (o prądzie kolektora rzędu 1 A i więcej), wzmocnienia prądowe są znacznie niższe (często sporo mniejsze od 100 A/A), zatem prąd bazy musi przyjmować odpowiednio wyższe wartości.

Tranzystor PNP doskonale pełni rolę wyłącznika, sterującego obciążeniem „od góry”, tj. od strony dodatniego napięcia zasilania (ang. high-side switch). Należy jednak pamiętać o tym, że układ ten powinien być stosowany jedynie w sytuacjach, gdy napięcie sterujące w stanie wysokim i napięcie zasilania obciążenia są sobie w przybliżeniu równe – jeżeli bowiem emiter tranzystora będzie podłączony np. do 12 V, a baza – do wyjścia mikrokontrolera zasilanego napięciem 5 V, to – niezależnie od stanu logicznego na wyjściu sterującym bazą – potencjał bazy będzie zawsze niższy, niż potencjał emitera. Tranzystor będzie zatem stale włączony, nie da się więc w takiej sytuacji uzyskać spodziewanego efektu przełączania.

Układ Darlingtona

Jeżeli potrzebujesz wysterować spore obciążenie, a nie możesz zapewnić odpowiednio wysokiego prądu bazy tranzystora średniej lub dużej mocy, rozważ zastosowanie ciekawego, choć bardzo prostego układu, zwanego układem Darlingtona.

Jak widzisz, w tym przemyślnym obwodzie emiter jednego z tranzystorów steruje bazą drugiego – ten ostatni to właśnie najczęściej tranzystor dużej mocy. Taki układ zapewnia ciekawą właściwość – jego wynikowe wzmocnienie prądowe jest iloczynem wzmocnienia poszczególnych zastosowanych w nim tranzystorów. Należy pamiętać, że napięcie baza-emiter takiego „złożenia” jest także wyższe, niż w przypadku pojedynczego tranzystora i stanowi dokładnie sumę napięć UBE obu tranzystorów. Zakładając, że „pierwszy”, sterujący tranzystor jest tranzystorem bipolarnym małej mocy (np. BC546 o napięciu UBE około 0,6 V), a drugi – tranzystorem średniej mocy (np. BD139 o napięciu UBE dochodzącym do 1 V), wynikowe napięcie baza-emiter wyniesie około 1,6 V – warto o tym wiedzieć, aby uniknąć zaskoczenia po złożeniu i uruchomieniu tego przydatnego układu).

Zastosowania tranzystorów

W tym krótkim opisie przedstawiliśmy jedynie podstawowe zastosowania tranzystorów bipolarnych w roli przełączników. Jednak to dopiero początek, gdyż – po dobraniu odpowiednich układów pracy i wartości elementów zewnętrznych – tranzystory NPN oraz PNP mogą z powodzeniem pracować także w układach:

  • wzmacniaczy liniowych (w tym celu wykorzystujemy tzw. obszar pracy liniowej, zawarty pomiędzy stanem nasycenia, a stanem całkowitego zamknięcia),
  • przerzutników bistabilnych (układów, zdolnych do wychwytywania i zapamiętywania zmian na wejściach), monostabilnych (tj. układów generujących impulsy o zadanej długości po pojedynczym, krótkim pobudzeniu wejścia) oraz astabilnych (czyli generatorów, samorzutnie przełączających wyjścia z określoną częstotliwością),
  • wzmacniaczy różnicowych – wzmacniających różnicę dwóch napięć, przyłożonych do osobnych wejść układu,
  • modulatorów, demodulatorów i filtrów aktywnych – układów, wykorzystywanych w technice radiowej oraz przetwarzaniu sygnałów analogowych.

Warto jednak dodać, że nowoczesna elektronika coraz rzadziej wykorzystuje pojedyncze tranzystory w wyżej wymienionych rolach – dziś mamy bowiem do dyspozycji specjalizowane układy cyfrowe, wzmacniacze operacyjne, pomiarowe i różnicowe, a także wszelkiego rodzaju bloki funkcjonalne, gotowe do użycia w projektowanych urządzeniach. Znajomość podstaw techniki półprzewodnikowej jest jednak niezbędna – choćby po to, aby móc zrozumieć i poprawnie zastosować znacznie bardziej złożone układy. A przecież one także składają się z setek, tysięcy, czy nawet milionów tranzystorów…

Zobacz pozostałe artykuły z serii elektronika na naszym blogu!

Dodaj komentarz