🎛️ Bipolární tranzistor

Malý proud řídí velký

O čem to je

Výstup mikrokontroléru dá jen pár miliampérů. Relé nebo motorek ale potřebuje stovky miliampérů. Tranzistor je jako kohoutek: malou silou na páčce ovládáš velký proud vody. Malý proud do báze řídí velký proud kolektorem.

Tranzistor umí dvě věci: spínat (zapnuto / vypnuto) a zesilovat (malý signál převést na větší).

Nové pojmy

Připomenutí: přechod PNRozhraní polovodiče typu P a N. Vede, když je + na P a − na N, od asi 0,6–0,7 V (křemík).
Bipolární tranzistorSoučástka ze tří vrstev polovodiče, NPN nebo PNP, se dvěma přechody PN. Má tři vývody: báze (B) – řídicí, kolektor (C) a emitor (E) – jimi teče hlavní proud.BC547 (NPN, malý), BD139 (NPN, středně výkonový).
Proudový zesilovací činitel βKolikrát je kolektorový proud větší než proud báze: I_C = β · I_B. V katalogu se značí také h₂₁E nebo h_FE. Bývá desítky až stovky.β = 200, I_B = 0,1 mA → I_C = 20 mA.

Jak tranzistor NPN funguje

Mezi bázi a emitor přivedeš napětí asi 0,7 V – přechod B-E se otevře.
Do báze teče malý proud I_B.
Ten „otevře cestu“ z kolektoru do emitoru, teče velký proud I_C = β · I_B.
Emitorem odtéká oba proudy dohromady: I_E = I_B + I_C.
Když proud báze přestane téct, kolektorový proud také zanikne.
Tranzistor má β = 150, do báze teče 0,2 mA. Jaký je kolektorový a emitorový proud?
I_C = 150 · 0,2 = 30 mA. I_E = 0,2 + 30 = 30,2 mA.

Tranzistor jako spínač

Ve spínacím režimu je tranzistor buď zavřený (I_B = 0, proud neteče), nebo otevřený v saturaci – báze dostane víc proudu, než je nutné, a mezi C a E zůstane jen asi 0,2 V.

Mikrokontrolér (5 V) spíná přes tranzistor NPN (β = 100) relé, které bere 50 mA. Jaký rezistor do báze? Počítej s dvojnásobným proudem báze pro jistou saturaci.
Nutný I_B = 50 / 100 = 0,5 mA, s rezervou 2× → 1 mA. Na rezistoru je 5 − 0,7 = 4,3 V. R_B = 4,3 / 0,001 = 4,3 kΩ. Volíš 3,9 kΩ (menší odpor = víc proudu = jistá saturace). K cívce relé patří nulová dioda (dioda zapojená paralelně k cívce v závěrném směru; po vypnutí přes ni doběhne proud cívky a nevznikne napěťová špička, která by zničila tranzistor).
  • B – báze – řídicí vývod
  • C – kolektor – sem vtéká hlavní proud (NPN)
  • E – emitor – odtud vytéká I_B + I_C (NPN)
  • I_C = ? – β · I_B

Otoč kartičky a ověř si, jestli umíš vývody a hlavní vztah.

✗Bázi tranzistoru připojím rovnou na výstup 5 V, rezistor není potřeba.
✓Do báze vždy patří rezistor, který omezí proud báze.

Přechod B-E je dioda. Při 5 V bez rezistoru by jím tekl obrovský proud, zničil by tranzistor i výstup mikrokontroléru.

Bipolární tranzistor: B, C, E. I_C = β · I_B, I_E = I_B + I_C, U_BE ≈ 0,7 V. Jako spínač pracuje zavřený nebo v saturaci; do báze vždy patří rezistor.

Režimy a zapojení

O čem to je

Stejný tranzistor jednou spíná ventil a jindy zesiluje signál z mikrofonu. Rozdíl je v tom, v jakém pracovním režimu ho provozuješ. Tady je přehled režimů, zapojení a výpočtů.

Nové pojmy

Tranzistor NPN a PNPBipolární tranzistor má tři vrstvy: N-P-N nebo P-N-P. U NPN teče hlavní proud z kolektoru do emitoru a báze se ovládá kladným napětím proti emitoru. U PNP je vše obráceně. Ve značce ukazuje šipka na emitoru směr proudu.NPN: šipka ven z tranzistoru. PNP: šipka dovnitř.
Proudové zesílení βPoměr I_C / I_B v aktivním režimu. Každý kus tranzistoru má jiné β, i ve stejném typu, a mění se s teplotou.BC547B: β zhruba 200–450.
Pracovní bodKlidové hodnoty proudů a napětí tranzistoru bez signálu. U zesilovače se nastavuje doprostřed, aby se signál mohl měnit nahoru i dolů.Napájení 12 V, U_CE v klidu asi 6 V.
SaturaceStav plně otevřeného tranzistoru: kolektorový proud už neroste s proudem báze, protože ho omezuje zátěž. U_CE je jen asi 0,1–0,3 V.Spínač LED pásku v sepnutém stavu.

Tři režimy

RežimPřechod B-ECo se dějePoužití
zavřený (nevodivý)nevede (U_BE < asi 0,6 V)I_C ≈ 0spínač vypnuto
aktivnívedeI_C = β · I_Bzesilovač
saturacevede, I_B je nadbytečnýU_CE ≈ 0,2 V, I_C určuje zátěžspínač zapnuto

Roztřiď situace do režimů. Rozhoduje, kolik proudu teče do báze a co omezuje kolektorový proud.

Zapojení se společným emitorem

Nejčastější zapojení: emitor je společný pro vstup i výstup (na zemi). Vstup jde do báze, výstup se bere z kolektoru přes kolektorový rezistor R_C. Zesiluje proud i napětí a obrací fázi: když vstup roste, výstup klesá.

Urči proud zátěže (u spínače) nebo požadovaný klidový I_C (u zesilovače).
Z β spočítej I_B = I_C / β (u spínače vynásob rezervou 2–5×).
Napětí na rezistoru báze: U_RB = U_řídicí − 0,7 V.
R_B = U_RB / I_B.
Zkontroluj ztrátový výkon P = U_CE · I_C a mezní hodnoty tranzistoru.
Zapojení se společným emitorem: napájení 12 V, R_C = 1 kΩ, β = 100, I_B = 50 μA. Jaký je I_C a U_CE?
I_C = 100 · 0,05 mA = 5 mA. Úbytek na R_C: 1 000 · 0,005 = 5 V. U_CE = 12 − 5 = 7 V. Tranzistor je v aktivním režimu.
Ve stejném zapojení zvýšíš I_B na 200 μA. Co se stane?
Podle β by I_C = 20 mA a úbytek na R_C 20 V. To nejde – napájení má jen 12 V. Tranzistor je v saturaci: I_C ≈ (12 − 0,2) / 1 000 ≈ 11,8 mA, U_CE ≈ 0,2 V.
✗U spínače spočítám R_B přesně podle katalogového β a jsem hotov.
✓Proud báze se u spínače volí s rezervou (2–5× víc, než vyjde z β).

β se liší kus od kusu a klesá s teplotou. Bez rezervy by tranzistor nemusel dojít do saturace, U_CE by bylo velké a tranzistor by se přehříval.

Režimy: zavřený, aktivní (I_C = β · I_B, zesilovač), saturace (U_CE ≈ 0,2 V, spínač). Společný emitor zesiluje a obrací fázi. U spínače počítej I_B s rezervou.
🔋Usměrňovače a napájecí zdroje🚪Unipolární tranzistory (MOSFET)