Tranzystor jest najważniejszym przykładem elementu aktywnego, czyli urządzenia, które może wzmacniać, wytwarzając na wyjściu sygnał o mocy większej niż moc sygnału doprowadzonego. Dodatkowa moc pochodzi z źródła mocy (mówiąc dokładniej, z zasilacza). Urządzenia wzmacniające moc dają się odróżnić od innych zdolnośćią wytwarzania drgań, przez doprowadzenie części sygnału wejściowego z powrotem do wejścia. Tranzystor jest podstawowym składnikiem każdego układu elektronicznego, od najprostszego wzmacniacza lub generatora do najbardziej skomplikowanego komputera. Układy scalone, które szybko wypierają układy wykonane z oddzielnych tranzystorów, same są tylko zbiorami tranzystorów i innych elementów wykonanych z kawałka materiału półprzewodnikowego.
Bardzo ważne jest zrozumienie zasady działania tranzystora, nawet jeśli w większości układów stosuje się układy scalone, ponieważ znajomość wejść i wyjść układów scalonych jest niezbędna dla poprawnego ich połączenia z resztą układów oraz ze światem zewnętrznym. Ponadto tranzystor jest jest jedynym, najbardziej skutecznym środkiem sprzęgania zarówno układów scalonych z innymi układami, jak i podzespołów między sobą. Należy równierz wspomnieć o ważnych oznaczeniach inżynierskich. Napięcie (względem ziemi lub masy układu) na wyprowadzeniu tranzystoraoznaczane jest pojedyńczym indeksem (C-kolektor, B-bramka, E-emiter), na pprzykład: U_c oznacza napięcie na kolektorze. Napięcie między dwoma wyprowadzeniami oznacza się podwójnym indeksem, np. U_BE oznacza spadek napięcia między bazą a emiterem. Jeśli indeks składa się z dwóch takich samych liter, mamy do czynienia z napięciem zasilania: U_CC jest (dodatnim) napięciem zasilania obwodu kolektora, a U_EE jest (ujemnym) napięciem zasilania obwodu emitera.

pierwszy model tranzystora: wmacniacz prądowy

Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach występującym w dwóch odmianach (p-n-p i n-p-n), o właściwościach, do których mają zastosowanie następujące reguły (dotyczą one tranzystora n-p-n; dla tranzystora p-n-p wystarczy poprostuzmienić polaryzację wszystkich napięć na przeciwną):

1. 
   Potencjał kolektora musi być większy od potencjału emitera.

2. Obwody baza-emiter i baza-kolektor zachowują się jak diody. W arunkach narmalnej pracy dioda ba-emiter jest spolayzowana w kierunku przewodzenia, a dioda baza-kolektor - w kierunku zaporowym.

3. Każdy tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi wartościami I_C, I_B, U_CE, których przekroczenie jest równoznaczne z koniecznością zakupu nowego tranzystora. Należy być świadomym równierz innych ograniczeń, takich jak moc rozpraszania na kolektorze I_cU_CE, temperatura, U_BE itd.

4. Jeśli spełnione są warunki 1÷3 to I_C jest w pzrybliżeniu proporcjonalny do I_B i może być opisany równaniem:

I_C = h_FEI_B = ΒI_Bgdzie h_FE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany również betą), przyjmuje typową wartość równą 100A/A. Oba prądy wpływające do tranzystora: prąd kolektora I_C i prąd bazy I_B łączą się w jego wnętzru i wypływają jako prądy emitera I_E.

UWAGA

Nie należy mylić prądy kolektora z prądem przewodzenia diody baza-kolektor. Dioda ta jest spolaryzowana zaporowo. Przpływ prądu kolektora należy traktować po prostu jako przejaw działania tranzystora.
Z właściwości 4 wynika użyteczność tranzystora: mały prąd wpływający do bazy steruje znacznie większym prądem wpływającym do kolektora.

UWAGA

h_FE nie jest "dobrym" parametrem tranzystora. Na przykład, jego wartość może zmieniać się od 50 do 250 A/A dla różnych egzemplarzy tego samego typu tranzystora. Wartość h_FE zależy równierz od wartości prądu kolektora, wartości napięcia między kolektorem a emiterem i temperatury. Układ, którego parametry zależą od określonej wartości h_FE jest
złym układem.
Należy zwrócić uwagę na skutki właściwości 2. Oznacza ona, że nie można dowolnie zwiększać wartości napięcia między bazą a emiterem, gdyż przekroczenie napięcia na bazie o więcej niż 0.6V do 0.8V (spadek napięcia na przewodzącej diodzie) w tosunku do napięcia na emiterze powoduje przepływ ogromnego prądu bazy. Z właściwości tej wynika również, że w czasie pracy tranzystora U_B≈U_E+ 0.6[V] (U_B = U_U + U_BE). Pnadto prąd kolektora zmienia się nieznacznie przy zmianach napięcia na kolektorze (zachowuje się jak źródło prądowe o niezbyt wielkiej rezystancji wewnętrznej), w odróżnieniu od prądu przewodzenia diody, który gwałtownie rośnie wraz ze wzrostem napięcia na diodzie.

Rozróżniamy także klasy wzmacniaczy. I tak:

1. A - wzmacniacze, w których cały sygnał wzmacnia jedna lampa lub tranzystor, pracujące w płaskiej części swojej charakterystyki

2. B - wzmacniacze przeciwsobne, w których pół sygnału wzmacnia jedna lampa lub tranzystor, pracujące w płaskiej części swojej charakterystyki, a drugie pół druga

3. AB - wzmacniacze, w których cały sygnał wzmacnia jedna lampa lub tranzystor, pracujące nie tylko w płaskiej części swojej charakterystyki

4. C - wzmacniacze nie używane powszechnie w technice audio ze względu na wysokie zniekształcenia

5. D - wzmacniacze impulsowe używane w technice audio przy wzmacniaczach do głośników niskotonowych

6. E - wzmacniacze rezonansowe nie używane powszechnie w technice audio

Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Wzmacniacz_%28muzyka%29"

Tranzystor bipolarny - tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

• emiter (ozn. E),

• baza (ozn. B),

• kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Ze względu na konstrukcję tranzystory dzielą się na dwie grupy:

1. tranzystory z niejednorodną bazą (tranzystory dryfowe, epiplanarne) - obecnie najpowszechniej stosowane, charakteryzują się niejednorodną koncentracją domieszek;

2. tranzystory z jednorodną bazą - historyczne: ostrzowy, stopowy, stopwo-dyfuzyjny i.in.

[edytuj] Stany pracy

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

• stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,

• stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,

• stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,

• stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset).

Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

[edytuj] Zasada działania

Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem h21^E lub grecką literą β

Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0,01-0,1 mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki wstrzyknięte do bazy niejako 'siłą rozpędu' dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są 'wsysane' do kolektora.

Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinowania wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w bazie. Jest tym mniejszy im cieńsza jest baza. Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.

Podstawowe znaczenie dla działania tego urządzenia mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze, zwanym bazą, pomiędzy dwoma złączami półprzewodnikowymi.

Zasada

obowiązuje tylko dla stanu aktywnego, w stanie nasycenia prąd kolektora jest mniejszy niż by wynikał z tego wzoru, bo układ do którego podłączony jest kolektor nie jest w stanie dostarczyć odpowiednio dużego prądu, a w stanie zatkania płyną tylko resztkowe prądy elektrod wynikające z niedoskonałości technologii.

Tranzystorem bipolarnym zwany też warstwowym, stanowi kombinacją dwóch półprzewodnikowych złączy p-n, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne wykonywane są najczęściej z krzemu, rzadziej z germanu. Ze względu na kolejność ułożenia warstw półprzewodnika rozróżniamy:

· tranzystory p-n-p (rys.6.1a),

· tranzystory n-p-n (rys.6.1b).

Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika mają swoją nazwę: B - baza, E - emiter, C - kolektor. A złącza nazywa się

· złączem emiterowym (złącze emiter-baza);

· złączem kolektorowym (złącze baza-kolektor).

Działanie tranzystora bipolarnego rozpatrzymy na przykładzie polaryzacji normalnej tranzystora, tzn. gdy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest zależność między potencjałami na poszczególnych elektrodach:

- V_E < V_B < V_C - dla tranzystora n-p-n;

- V_E > V_B > V_C - dla tranzystora p-n-p.

Zasada działania tranzystora n-p-n.

W wyniku przyłożenia napięć do elektrod tranzystora, elektrony jako nośniki większościowe przechodzą z emitera do bazy, gdzie stają się nośnikami mniejszościowymi i część z nich rekombinuje z dziurami wprowadzanymi przez kontakt bazy. Elektrony przechodzące przez złącze emiter-baza mają określone prędkości i jeżeli obszar bazy jest wąski, to prawie wszystkie przejdą do kolektora, gdzie staną się ponownie nośnikami większościowymi i zostaną usunięte z obszaru kolektora do obwodu zewnętrznego.

Stosunek ilości nośników (elektronów) przechodzących do kolektora, do ilości nośników (elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądowego i oznaczamy a.

Jeżeli złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, tzn. kolektor ma wyższy potencjał niż baza, to pole elektryczne występujące w tym złączu powoduje unoszenie nośników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu płynącego przez kolektor może być regulowana przez zmianę wysokości bariery złącza emiterowego, czyli przez zmianę napięcia polaryzującego złącze emiter-baza. Przez złącze baza-kolektor płynie prąd związany z polaryzacją, tzw. Prąd zerowy kolektora - I_CBO. Płynie on nawet wtedy gdy złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane (I_E = 0). Przez tranzystor płynie również prąd zerowy I_CBO, gdy I_B = 0.

Tranzystor bipolarny (warstwowy) stanowi kombinacje dwóch półprzewodnikowych złączy P-N wykorzystywanych w jednej płytce półprzewodnika.
1) Tranzystor N-P-N Złącze emiter - baza polaryzowane jest w kierunku przewodzenia. Powoduje to przechodzenie elektronów z obszaru emitera do obszaru bazy, gdzie częściowo rekombinują z dziurami. Przyłożenie do kolektora dodatniego potencjału powoduje, że elektrody z obszaru bazy przechodzą do kolektora i obwodu zewnętrznego.
2) Tranzystor P-N-P
W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika mają swoją nazwę: B - baza, E - emiter, C - kolektor.
Tranzystor ma właściwości wzmacniające: niewielkim prądem bazy [µA] steruje się przepływem dużego prądu w obwodzie kolektor - emiter [mA]
Charakterystyka statyczna tranzystora w układzie WE

Wzmocnienie - stosunek wartości skutecznej sygnału wyjściowego do wartości skutecznej sygnału wejściowego. Wzmocnienie napięciowe: ku = Uwy/Uwe [V/V] Wzmocnienie prądowe: ki = Iwy/Iwe [A/A] Wzmocnienie mocy: kp = Pwy/PWE [W/W] Argument transmitancji określa przesunięcie fazowe między napięciami na wejściu i na wyjściu. Transmitancja napięciowa: ku = Uwy/Uwe. Zniekształcenie liniowe: a) amplitudowa k = f(f) przedstawia zmiany wartości wzmocnienia od częstotliwości, b) fazowa ζ = f(f) przedstawia zmiany wartości przesunięcia fazowego sygnału od częstotliwości, Częstotliwość graniczna - (fd, dg) częstotliwość, dla której wzmocnienie wzmacniacza maleje względem wzmocnienia max o 3dB, a wzmocnienie mocy maleje do połowy. Pasmo przenoszenia wzmacniacza - zakres częstotliwości między częstotliwościami granicznymi B = ∆f = fg -fd. Pasmo przenoszenia rzeczywistych wzmacniaczy jest ograniczone, tzn. niejednakowo wzmacnia wszystkie częstotliwości. Określa się to jako zniekształcenia nieliniowe. Zniekształcenia liniowe: Uwy = f(Uwe), f = const.
Dla Uwe > Uwe max wzmacniacza wprowadza zniekształcenia.
Rezystancja wejściowa - rezystancja widziana z zacisków przy rozwartym wyjściu. Rwe = Uwe/Iwe dla Ro = ∞. Rezystancja wyjściowa - rezystancja widziana z zacisków przy zwartym wyjściu. Rwy = Uwy/Iwy dla Uwe = 0. Podział ze względu na wzmacniany parametr: napięciowe, prądowe i mocy. Podział ze względu na zastosowany element obciążenia: rezystancyjne, dławikowe, transformatorowe i rezonansowe.



Podział w zależności od pasma przenoszonych częstotliwości: 1. dolnoprzepustowe (napięcia stałego od 0 do kilku kHz), 2. pasmowe małej częstotliwości (akustyczne, 20 Hz do 20 kHz), 3. wąskopasmowe (selektywne, rezonansowe, fo), 4. szerokopasmowe (telekomunikacyjne 0 ÷ 1MHz) 5. pasmowe wysokiej częstotliwości (MHz ÷ GHz)

Współczynniki wzmocnienia prądowego: α - stosunek ilości nośników przechodzących do kolektora do ilości nośników wstrzykiwanych z emitera do bazy. α = Ic/Ie α =(0,952 ÷ 0,998) β - stosunek ilości nośników wstrzykiwanych do kolektora do ilości nośników w bazie. β=Ic/Ib β =(20 ÷ 850). Prądy w tranzystorze: prąd emitera Ie=Ib+Ic, prąd kolektora Ic= α*Ie+Ib0, Ib0 - prąd zerowy. α Prąd bazy Ib=Ie(1- α)-Ice0, Ice0 - prąd zerowy. Układy pracy tranzystorów: układ o wspólnym emiterze We(0E) układ o wspólnej bazie Wb(0B) układ o wspólnym kolektorze
Stany pracy i parametry tranzystora:


Podział: ze względu na wydzielaną moc: małej mocy do 0,3W, średniej mocy do 5W, dużej mocy, powyżej 5W. Ze względu na maksymalną częstotliwość generacji: małej częstotliwości do MHz, dużej częstotliwości do GHz. Tranzystor powinien mieć jak największą moc dopuszczalna i maksymalna częstotliwość generacji. Sprzężenie zwrotne - wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym składa się z: układu podstawowego o wzmocnieniu k, układu sprężenia zwrotnego o transmitancji βf przekazującego na wejście część sygnału wyjściowego.

Sprzężenie może być: dodatnie Sp = Swe +Sf, ujemne Sp = Swe - Sf
1 - bez sprzężenia zwrotnego, 2 - ze sprzężeniem ujemnym, 3 - ze sprzężeniem dodatnim. Sprzężenie ujemne daje mniejsze zniekształcenie nieliniowe niż układ podstawowy. Sprzężenie może być: prądowe - sygnał na wyjściu układu sprzężenia jest proporcjonalny do prądu ukł. podstawowego. Napięciowe - sygnał wejściowy do układu sprzężonego jest proporcjonalny do napięcia wyjściowego ukł. podstawowego.

Sprzężenie może być: szeregowe - sygnał napięciowy na wyjściu układu sprzężenia dodaje się do sygnału napięciowego podstawowego na wyjściu. Równoległe -, gdy prąd wyjściowy układu sprzężenia dodaje się do prądu wejściowego wzmacniacza.

k = Swy/Sp - wzmocnienie układu podstawowego, βf = Sf/Swy - wzmocnienie układu sprzężenia. Sprzężenie ujemne Sp = Swe - Sf  Swe = Sp + Sf. Ksz = k/1+k*βf - współczynnik wzmocnienia układu ze sprzężeniem. Sprzężenie dodatnie Sp = Swe +Sf  Swe = Sp - Sf. Ksz = k?1-k*βf - współczynnik wzmocnienia układu ze sprzężeniem. Impedancja wejścia. Sprzężenie szeregowe: napięciowe: Uf = Up*k*βf, prądowe Uf = Up*k*βf. Sprzężenie szeregowe ujemne: Swe=Sp+Sf, Uwe = Up(1+k*βf), Zwesz = Zwe(1+k*βf), Sprzężenie szeregowe dodatnie: Swe = Sp-Sf, Uwe =Up(1-k*βf), Zwesz = Zw(1-k*βf). Sprzężenie równoległe ujemne: If=Ip*k*βf, sprzężenie równoległe dodatnie: Iwe=Ip(1+k*βf), Zwesz = Zwe*1/(1+k*βf).

1

1

---