Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
część 5
Tranzystory
dla poczÄ…tkujÄ…cych
Przed miesiącem dowiedziałeś się, jak tranzystor wzmacnia napięcie. Tematem wzmacniania sygnałów zmiennych
zajmiemy się dokładniej w przyszłości, a dziś podam ci trochę informacji na temat pracy tranzystora w roli przełączni-
ka oraz w innych oryginalnych zastosowaniach.
Tranzystor jako
się na wyjściu stanu niskiego (brak napię- tora prąd do naładowania pojemności CL
przełącznik cia), i na odwrót. Bardzo często stosujemy popłynie przez rezystor R1. Ile czasu trze-
Może wyobrażasz sobie, że tranzysto- tranzystor w takiej roli w układzie zawiera- ba, by naładować tę pojemność? Szacun-
ry sÅ‚użą jedynie do wzmacniania napięć jÄ…cym scalone ukÅ‚ady logiczne. kowo bÄ™dzie to czas t = R1 × C, czyli
zmiennych, na przykÅ‚ad przebiegów au- Jak zapewne wiesz, ukÅ‚ady logiczne ro- t = 10M&! * 50pF = 500µs = 0,5ms
dio. Tak nie jest. Tranzystory wykorzystu- dziny CMOS w stanie spoczynku nie po- Pół milisekundy to dla układów logicz-
je się w różny sposób, często jako prze- bierają prądu ze z
ródła zasilania. Niestety, nych wieczność. W takiej sytuacji twój
łączniki. negator z rysunku 34 pobiera prąd, gdy negator mógłby pracować przy sygnałach
Tu sprawa jest prosta: Najprostszy tranzystor jest otwarty. Żeby zmniejszyć o częstotliwości co najwyżej 1...2kHz!
r
y
s
u
n
przełącznik to po prostu układ z rysun- pobór prądu można zwiększyć rezystancję Żeby umożliwić pracę przy większych
ku 34. Gdy napięcie na wejściu jest rów- obciążenia R1. Przy napięciu 10V i rezys- częstotliwościach musisz koniecznie
k
u
3
4
ne zeru, tranzystor nie przewodzi  jest za- tancji R1 równej 10M&! pobór prądu wy- zmniejszyć rezystancję R1, a to zwiększy
tkany, i na wyjÅ›ciu (na kolektorze) wystÄ™- niesie tylko 1µA. Stop! Tu tkwi puÅ‚apka. pobór prÄ…du  nie ma wyjÅ›cia. Zauważ
puje pełne napięcie zasilające. Po podaniu Stosując układy cyfrowe zwracamy jednak, że taka niesprzyjająca sytuacja
na wejście napięcia dodatniego (zgodnie uwagę nie tylko na pobór prądu, ale i na ma miejsce tylko przy wyłączaniu tranzys-
z rysunkiem 31, większego od 0,6V) tran- szybkość. Tymczasem zwiększając w tran- tora, gdy pojemność CL ładuje się przez
zystor otwiera się i napięcie na kolektorze zystorowym negatorze rezystancję R1, rezystor R1. Przy otwieraniu tranzystora
spada niemal do zera. W takim zastoso- możesz katastrofalnie zmniejszyć jego zmiany następują szybciej, bo przez tran-
waniu tranzys- szybkość, a niekiedy zupełnie uniemożli-
tor pełni rolę wić jego działanie. Nie zapomnij, że do
układu logicz- wyjścia takiego negatora dołączone są in-
nego zwane- ne obwody. Takie obwody przedstawiajÄ…
go negato- sobą jakąś pojemność (choćby pojem-
rem. Podanie ności montażowe między ścieżkami) i ja-
r
y
na wejście kąś rezystancję  zaznaczyłem ci to na ry-
s
u
n
k
u
3
5
stanu wyso- sunku 35 jako CL i RL. Nawet gdyby rezys-
kiego (napię- tancja RL była ogromnie wielka (np. rezys-
cia) spowodu- tancja wejściowa układów cyfrowych
Rys. 34. je pojawienie CMOS), to i tak przy wyłączaniu tranzys- Rys. 35.
18 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
zystor mogą płynąć większe prądy (byle- w stan nasyce- nie lekceważ ćwiczeń: przeprowadz
obli-
byś tylko nie umieścił zbyt dużej rezys- nia. Nie pozwa- czenia i dopiero wtedy sprawdz
odpo-
R
y
s
u
n
e
k
3
6
tancji R2 w obwodzie bazy). Rysunek 36 la mu dioda, wiedz
. I raz na zawsze zapamiętaj, że na-
pokazuje przebieg zmian napięcia na we- która przejmu- pięcie na kolektorze w stanie zatkania za-
jściu i wyjściu tranzystora z rysunku 35. je część prądu leży od obwodóppw dołączonych do ko-
Myślę, że już zrozumiałeś sprawę szyb- bazy. Tranzys- lektora i wcale nie musi być równe na-
kości narastania napięcia na wyjściu. tor z taką do- pięciu zasilającemu.
Przy okazji chciałem ci zwrócić uwagę datkową diodą Idziemy dalej.
na zależność między napięciem bazy, ( koni eczni e Przy projektowaniu nietypowych ukła-
a napięciem kolektora. Jak się dowiedzia- Schottky ego) dów przełączających, być może zechcesz
r
y
s
u
n
k
u
łeś, napięcie na bazie przewodzącego nazywany jest zastosować sposób pokazany na rysunku
4
0
a
tranzystora wynosi 0,5...0,7V. Teraz wy- czasem tran- 40a. Jeśli w roli diody D1 zastosujesz dio-
szło na jaw, że napięcie na kolektorze (w zystorem Schot- dę Schottky ego, nie ma żadnego proble-
Rys. 37.
stanie nasycenia) może mieć wartość tky ego i ozna- mu: w stanie zatkania tranzystora T1, na-
rzędu kilku czy kilkunastu miliwoltów, czany (zwłaszcza w katalogach układów pięcie na jego kolektorze jest równe napię-
n
a
p
i
Ä™
c
i
e
n
a
k
o
l
e
k
t
o
r
z
e
m
o
ż
e
b
y
ć
r
y
s
u
n
k
u
3
7
b
czyli... napięcie na kolektorze może być cyfrowych 74S, 74LS) jak na rysunku 37b. ciu zasilającemu, dioda jest spolaryzowana
mniejsze niż napięcie na bazie. Oczywiście włączenie zwykłej diody nic tu zaporowo, nie płynie przez nią prąd i tran-
m
n
i
e
j
s
z
e
n
i
ż
n
a
p
i
Ä™
c
i
e
n
a
b
a
z
i
e
To nie jest jakaś superważna sprawa, nie pomoże. zystor T2, dzięki rezystorowi R3 jest nasy-
ale już teraz mogę ci powiedzieć, że we- Dlaczego ci to tak dokładnie tłumaczę? cony. Gdy tranzystor T1 będzie nasycony,
jście w głębokie nasycenie co prawda mi- W praktyce w swoich układach nigdy nie przejmie prąd, który wcześniej płynął do
nimalnie (o jakieś drobne miliwolty) zmniej- będziesz włączał diody według rysunku bazy T2. Napięcie na bazie T2 będzie rów-
sza napięcie kolektora, ale opóz
nia potem 37a. Natomiast będziesz stosował tran- ne sumie napięcia nasycenia T1 (nie więk-
r
y
s
u
n
k
u
3
8
a
proces przełączania od nasycenia do stanu zystory w połączeniu z rysunku 38a, gdzie sze niż 100mV) i napięcia przewodzenia
zatkania. Ma to znaczenie w układach lo- włączenie (otwarcie do stanu nasycenia) diody Schottky ego (do 400mV) czyli nie
gicznych, gdzie chodzi o uzyskanie jak naj- tranzystora T1 na pewno zatka otwarty przekroczy 0,5V. Przy takim napięciu bazy
krótszych czasów przełączania, rzędu poje- wcześniej (dzięki rezystorowi R1) tranzys- tranzystor T2 na pewno będzie zatkany.
dynczych nanosekund (1ns = 0,000000001s). tor T2. Przy okazji zastanów się nad napię- A gdybyś zastosował zwykłą diodę, jak
Wyobraz
sobie, że wymyślono prosty spo- ciem na kolektorze T1. W stanie zatkania na rysunku 40b? Tu sprawa nie jest pros-
sób na zmniejszenie czasu wychodzenia tranzystora T1 napięcie na jego kolektorze ta! Napięcie przewodzenia diody i złącza
o
k
o
Å‚
o
0
,
6
.
.
.
0
,
7
V
tranzystora ze stanu nasycenia. Sposób będzie równe... około 0,6...0,7V  napięcie baza-emiter T2 są zbliżone. Wręcz nie
ten jest powszechnie stosowany w rodzi- to będzie przecież napięciem bazy T2, któ- sposób obliczyć, czy ze zwykłą diodą uda
nach bipolarnych scalonych układów lo- ry będzie otwarty (nasycony). Gdy tranzys- ci się zatkać tranzystor T2. Jak już wiesz,
gicznych cyfrowych (rodziny 74S, 74LS, tor T1 zostanie otwarty (nasycony), prze- prÄ…d bazy i kolektora ogromnie zmienia
74ALS, 74FAST). Sposób ten, pokazany na jmie cały prąd płynący dotychczas do bazy się przy niewielkich zmianach napięcia
rysunku 37a polega na włączeniu diody T2, i tranzystor T2 zostanie zatkany. bazy. Wystarczy kilka miliwoltów, by ra-
r
y
s
u
n
k
u
3
7
a
Schottky ego między bazę i kolektor tran- Pamiętaj, że w takim układzie, napięcie dykalnie zmienić sytuację. Omawialiśmy
zystora. Jeśli jeszcze nie wiesz  dioda kolektora T1 zmienia się w zakresie od ze- to przed miesiącem.
Schottky ego to taka specjalna dioda (krze- ra do 0,6...0,7V, a nie od zera do pełnego Czy potrafisz przewidzieć stan tranzys-
mowa), która ma napięcie przewodzenia napięcia zasilającego. To niby prosta spra- tora T2? Nie. Przede wszystkim nie znasz
rzędu 350...400mV, czyli znacznie niższe, wa, ale zapomina o tym wielu początkują- dokładnej wartości napięć: nasycenia
niż typowe diody krzemowe (500...700mV). cych i potem inny obwód, współpracujący tranzystora T1, napięcia przewodzenia
W stanie odcięcia napięcie na kolektorze z takim tranzystorem nie chce działać. diody D1 i napięcia UBE tranzystora T2.
jest równe napięciu zasilającemu, dioda ta Co zrobić, by napięcie na kolektorze Nawet gdybyś je zmierzył lub zbudował
jest spolaryzowana zaporowo, i nie ma (które będzie wykorzystywane przez inne układ i stwierdził, że jednak tranzystor T2
wpływu na pracę układu. Gdy pojawi się układy) zmieniało się w zakresie od zera do zatyka się po otwarciu T1, to czy przy
prąd bazy, napięcie na kolektorze chce (prawie) napięcia zasilającego? Zazwyczaj zmianach temperatury układ też będzie
spaść niemal do zera. Ale wtedy zaczyna wystarczy dodać rezystor, jak na rysunku
przewodzić dioda Schottky ego i zabiera 38b. Zauważ, że rezystory R1, R4 i złącze
część prądu bazy. W efekcie zmniejsza się baza-emiter T2 przy zatkaniu T1 tworzą
prąd bazy i tranzystor nie może wejść dzielnik napięcia. Jaki powinien być stosu-
nek rezystancji R1 do R4, by
uzyskać możliwie duże napięcie
na kolektorze? Oczywiście R4 po-
winien mieć możliwie dużą rezys-
tancję, ale nie za dużą, by prąd
przez niego płynący wprowadził
tranzystor T2 w stan nasycenia.
Teraz ćwiczenie. Oblicz na-
pięcia w punktach zaznaczo-
r
y
s
u
n
k
u
3
9
nych w układzie z rysunku 39
(punkty A i B) przy napięciach na
wejściu równych 0 oraz +10V,
zakładając, że napięcia baza-
emiter tranzystorów wynoszą
0,6V. Odpowiedz
znajdziesz na
Rys. 36. Rys. 38.
końcu artykułu. Dobrze ci radzę,
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98 19
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Spróbuj to obliczyć zanim zaczniesz
czytać dalszą część artykułu.
I co? Zaplątałeś się? Wydaje ci się,
że cały prąd popłynie przez obwód ba-
za-emiter tranzystora T1? A może jes-
teś przerażony, że zwarłem do plusa
zasilania kolektor T2? Spokojnie!
W obwodzie baza-emiter T1 płynie
tylko mały prąd, wynoszący mniej wię-
cej 1/500 prądu I1 (dokładnie 1/500 prą-
du kolektora T1). W punkcie A występu-
je jakieś napięcie UBE w zakresie
Rys. 39.
0,5...0,7V. Dokładna wartość tego napię-
działał poprawnie? Zwłaszcza wtedy, gdy cia zupełnie nas nie interesuje, będzie się
tranzystor T2 ogrzeje się pod wpływem ona zresztą zmieniać z temperaturą. Waż-
przepływającego przezeń prądu? Pamię- ne jest coś innego: tranzystory są identycz-
n
a
i
c
h
b
a
z
a
c
h
w
y
s
t
Ä™
p
u
j
e
t
o
s
a
m
o
n
a
tasz, że temperatura znacznie wpływa na ne, i na ich bazach występuje to samo na-
p
i
Ä™
c
i
e
napięcie przewodzenia diody i złącza B-E. pięcie. Jeśli są identyczne, to... oczywiście
Właśnie ze względu na słabą stabilność prądy kolektorów też będą identyczne.
parametrów nie polecam ci układu z rysun- Czyli prąd I2 będzie równy prądowi IC1. Czy
ku 40b, nawet gdyby po złożeniu działał po- prąd I2 jest równy prądowi I1?
prawnie. Nie masz gwarancji, że przy zmia- Niezupełnie, ściśle biorąc jest mniej-
nach temperatury, albo po wymianie ele- szy o  dwa prÄ…dy bazy , czyli mniej wiÄ™-
Rys. 40.
mentów nadal będzie pracował bez zarzutu. cej 1/250 prądu IC1. Wynosi więc około
Znów powróciliśmy do jakże ważnej 99,6% prądu I1 (teoretycznie 99,601594%). 41. W ramach ćwiczeń praktycznych zbu-
sprawy praktycznej: stabilności paramet- W praktyce te 0,4% możemy pominąć duj układ z rysunku 41b i zmierz prądy,
rów. Choć tranzystor z natury nie jest i śmiało przyjąć, że prąd I1 jest równy prą- stosując różne tranzystory i podgrzewa-
 zwierzęciem zbyt stabilnym, jednak dowi I2. jąc je suszarką do włosów. Spróbuj użyć
przy odrobinie sprytu można tę stabilność To właśnie jest układ lustra prądowego tranzystorów różnego typu, w tym także
radykalnie poprawić. To szeroki temat,  wpuszczamy jakiś prąd I1, i w drugiej ga- tranzystorów mocy i kombinacji tranzys-
dziś nie będziemy się w to wgłębiać, na łęzi płynie prąd I2 o takiej samej wartości. tora dużej mocy z tranzystorem małej
koniec pokażę ci tylko jeden interesujący Warunkiem poprawnego działania jest nie mocy. Przekonaj się sam, iż jeśli tranzys-
przykład, gdzie potrafimy wyeliminować tyle zastosowanie identycznych tranzys- tory będą mieć tę samą temperaturę,
zależność od temperatury. torów, co raczej zapewnienie dobrego uzyskasz proporcjonalność obu prądów
sprzężenia cieplnego, by oba tranzystory (właśnie proporcjonalność, a nie równość
Lustro prądowe miały jednakową temperaturę. Najproś- ze względu na gęstość prądu w złączach)
r
y
s
u
n
k
u
4
1
Na rysunku 41 znajdziesz schemat naj- ciej jest zrealizować je w układzie scalo- w szerokim zakresie zmian prądu.
prostszego lustra prądowego. Na pierwszy nym, ale ty możesz po prostu umieścić Omawiany układ lustra prądowego nie
rzut oka układ wygląda to co najmniej dziw- oba tranzystory blisko siebie i zacisnąć na jest może najważniejszy w naszym zgłę-
nie. Ale nie jest to żadne oszustwo  takie tej parze koszulkę termokurczliwą. bianiu tajemnic tranzystora, ale chciałem
układy są wykorzystywane w praktyce W schematach wewnętrznych ukła- ci pokazać między innymi, że choć tran-
znacznie częściej, niż przypuszczasz. Na dów scalonych wzmacniaczy spotkasz zystory są dość kapryśne i nie sposób do-
r
y
s
u
n
k
u
4
2
a
pewno polubisz ten układ i będziesz go obwody jak na rysunku 42a. W praktyce kładnie określić napięcia UBE, (bo zależy
czasem stosował w swoich konstrukcjach. spotkasz (i wykorzystasz) układ z rysunku ono i od prądu bazy i od zmian tempera-
Jak on działa? Ty decydujesz, tury), to przy odrobinie sprytu można się
jaką wartość ma mieć prąd od tych zmian uniezależnić, a nawet je
I1. Niejako wpuszczasz ten prąd w ciekawy sposób wykorzystać.
w układ. Co się dzieje dalej? W przyszłym miesiącu zapoznam cię
Przyjmując, że tranzystory są z kolejnymi podstawowymi parametrami
identyczne i mają wzmocnienie tranzystora, a dopiero póz
niej omówimy
równe 500, podaj wartości prą- kilka praktycznych układów tranzystora
dów zaznaczonych na rysunku 41 jako wzmacniacza sygnałów zmiennych.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
znakami zapytania (IC1, IB1, IB2, I2). Piotr Górecki
Odpowiedzi (do rys. 39)
1. Napięcie wejściowe równe zeru: T1 -
zatkany, T2 - nasycony. W punkcie A:
1,45V. W punkcie B: kilkadziesiÄ…t mV
(napięcie nasycenia T2).
2. Napięcie wejściowe równe +10V: T1 -
nasycony, T2 - zatkany. W punkcie A:
kilkadziesiąt mV (napięcie nasycenia
T1). W punkcie B: 3,197V.
Rys. 41. Rys. 42.
20 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98