Hogyan működnek a bipoláris tranzisztorok?


A bipoláris tranzisztorok, amelyekkel foglalkozunk, három kivezetéssel rendelkező eszközök, amelyek azt a célt szolgálják, hogy az áramkörben folyó áramot szabályozzák. Kettő ezek közül a kivezetések közül (a kollektor és az emitter) átereszti az áramot, és a harmadik láb (a bázis) szabályozza annak mennyiségét. Az áram szabályozása, legalábbis kívülről nézve, a bázis feszültségének változtatásával valósítható meg az emitterhez képest.

8. Ábra


Ábránkon egy BD139-es tranzisztort 24 voltos tápfeszültségre kapcsoltuk. Az emittert kell a negatív potenciálra, a kollektort a pozitív potenciálra kötni. A kollektornál elhelyezünk egy árammérőt, ezen tudjuk ellenőrizni a tranzisztoron átfolyó áram változását. A bázis és az emitter közé egy feszültséggenerátort kötünk. NPN tranzisztoroknál, mint jelen esetben is, a bázis feszültségét növelve az emitterhez képest, megnövekedett áram folyik a kollektorból az emitterbe. Ha több áramot szeretnénk folyatni, növelnünk kell a bázis-emitter feszültséget, ha kevesebbet, csökkentenünk kell azt. Az NPN tranzisztorok körülbelül 0,6 V bázis-emitter feszültségnél kezdenek vezetni. Ha a feszültség kisebb 0,6 voltnál, nem folyik áram.

Az NPN típus ellentéte a PNP, amely felépítését tekintve hasonló, csak feszültségeinek polaritásai fordítottak. A kollektor általában negatív feszültségen van az emitterhez képest, és akkor folyik áram, ha a bázis feszültség negatív az emitterhez képest.

9. Ábra


Ábránkon a korábbi BD 139-es tranzisztort komplementer (kiegészítő) párjával a BD140-es típussal helyettesítettük.

A fenti beállításokban számunkra legfontosabb adat az lesz, hogy mennyire változik meg a kollektoron átfolyó áram a bázis-emitter feszültség megváltozására. Ezt a számadatot nevezik meredekségnek. Jele S. A meredekség az ellenállás ellentéte. Az ellenállást úgy kapjuk meg, ha a feszültséget osztjuk az árammal, a meredekséget (vezetés) úgy, ha az áramot osztjuk a feszültséggel, a meredekség tehát azt határozza meg, hogy mennyit változik az áram a vezérlőfeszültség hatására. Amennyiben egy erősítőelem meredeksége 1, ebben az esetben 1 amper áramváltozás következik be 1 V bázisfeszültség-változás hatására. A bipoláris tranzisztoroknál azt érdemes megjegyeznünk, hogy 60 millivolt bázis-emitter nyitófeszültség növekedés a kollektoráram tízszeresére növekedését eredményezi, tehát meredekségük igen magas. A meredekség kiszámolására pedig az Ic/UT képlet áll rendelkezésünkre. Ebben a képletben Ic a kollektoráram, UT pedig az úgynevezett temperatúrafeszültséget jelenti, amely egy állandó érték, pontosan 25,5 millivolt. Egy tranzisztornak tehát akkor 1 a meredeksége, ha kollektorárama 25,5 mA.

Hogyan használjuk a tranzisztort?


A tranzisztoroknak három csatlakozója (népiesen lába) van, és háromféleképpen is használhatóak. Az ábra mutatja az NPN eszköz három felhasználási lehetőségét.

10. Ábra


Elnevezésük az erősítőelemnek arra a "közös csatlakozójára" vonatkozik, amelyiken nem történik feszültségváltozás (referenciapont).

Az első a földelt emitteres kapcsolás, ahol a tranzisztor kollektoráramának változását egy ellenállás bekötésével feszültségváltozássá alakítjuk. Ez a kapcsolás feszültség és áramerősítést is végez. A bemenet itt a bázis, és a kimeneti jel a feszültséggenerátoréval ellenfázisban a kollektoron jelenik meg.

A második az emitterkövető, avagy földelt kollektoros kapcsolás. Áramot erősít, de feszültséget nem. A bemeneti jel itt is a bázisra megy, és a kimenet az emitteren megközelítőleg ugyanazt a feszültséget produkálja – csak kb. 0,6 volttal eltolva. Ezért hívják emitterkövetőnek.

A harmadik módszer a tranzisztor vezérlésére a földelt bázisú kapcsolás, amelynek csak feszültségerősítése van, áramot nem erősít, vagyis a vezérlő generátornak ugyanannyi áramot kell biztosítania, mint amennyi a tranzisztoron átfolyik. A bemenet az emitteren van, a kimenet pedig a kollektor. Ez a kapcsolás leginkább kaszkód elrendezésben fordul elő, ahol a földelt bázisú kapcsolás "védi" a földelt emitteres kapcsolást.

11. Ábra


Az elektroncsövek és a FET-ek olyan nagyimpedanciás bemenetű eszközök, amelyek vezérléséhez nem szükséges áram, csak feszültség. Ezzel szemben a tranzisztort nem csak feszültséggel kell hajtani, hanem árammal is (vagyis teljesítménnyel). Ha elhelyezünk a bázis elé egy árammérő műszert, akkor azt fogjuk tapasztalni, hogy a bázisba (sokszor nem is kevés) áramot is be kell folyatnunk ahhoz, hogy a kollektorról az emitterre áram tudjon folyni.

12. Ábra


Ez az úgynevezett bázisáram. A tranzisztorok egyik fontos paramétere lesz az áramerősítési tényező, vagyis béta (Jele b), amely azt mutatja meg, hogy egy adott kollektoráram eléréséhez mekkora bázisáramra van szükségünk.

A fenti tulajdonságból kifolyólag a bipoláris tranzisztorokat három eltérő módon lehet meghajtani:
- 1. Kisimpedanciás feszültséggenerátorral. Ez esetben a forrás kis kimeneti ellenállása miatt biztosítani tudja a tranzisztornak szükséges bázisáramot, és a tranzisztor viselkedését a bázis-emitter feszültségváltozás fogja meghatározni. Ez esetben a feszültséggenerátor belső ellenállásának legalább ötödének, tizedének kell lennie a tranzisztor bemeneti ellenállásának.
- 2. Nagy impedanciájú áramgenerátorral. Ebben az esetben a bázis emitter dióda nyitófeszültsége a kollektor-emitter áramnak megfelelően áll be, és a tranzisztor működését elsősorban az annak áramerősítési tényezője határozza meg. A meghajtó generátor belső ellenállása ilyenkor legalább öt, tízszerese a tranzisztor bemeneti ellenállásának.
- 3. Teljesítményillesztett meghajtással. Ebben az esetben a generátor belső ellenállása megegyezik tranzisztorunk bemeneti ellenállásával. Az első esetre jó példa könyvünk 8. ábrája. A második esetre itt mutatunk egy példát.

13. Ábra


A harmadik esetre később a konkrét kapcsolásoknál fogunk példát látni. Mint láttuk, hogy a három eset közül melyik fordul elő, azt a tranzisztor bemeneti ellenállásának és a generátor kimeneti ellenállásának hányadosa határozza meg. De mi is a be, ill. a kimeneti ellenállás?

A bemeneti ellenállás azt mondja meg, hogy egy eszköz meghatározott feszültséggel történő táplálása közben mennyi áramot vesz fel. Nagy bemeneti ellenállás esetén alig kell áram, míg kis bemeneti ellenállás esetén jelentős áramot is kell biztosítanunk.

A kimeneti ellenállás azt fejezi ki, hogy egy generátorból áramot kivéve azon mekkora feszültségesés jön létre. Ha egy meghatározott kimeneti ellenállású feszültséggenerátort ugyanakkora impedanciával zárunk le, mint a kimeneti ellenállás, akkor a kimeneti feszültség a felére esik vissza.

Vizsgáljuk meg, hogy mennyi könyvünk első ábráján szereplő BD139-es tranzisztor bemeneti ellenállása. Erre egy képlet áll rendelkezésünkre. A bemeneti ellenállás: bUT/Ic. Ebben a képletben UT/Ic a tranzisztor belső ellenállása. Ez nem más, mint a tranzisztor bázis emitter diódájának belső ellenállása. A diódák belső ellenállása kicsi, széles áramtartományban alig változik nyitóirányú feszültségük. A tranzisztornál a bázison keresztül ennek a belső ellenállásnak b-szorosa látszik. Ennek oka az, hogy a bázis feszültségváltozása megegyezik a dióda feszültségváltozásával, de a rajta befolyó áram az emitteráramnak csak 1/b szorosa.
Tételezzük fel, hogy tranzisztorunk bétája 120. A bemeneti ellenállás 120x0,0255/0,1=30. Vagyis tranzisztorunk bemeneti ellenállása ebben a beállításban 30 ohm. Ami azt jelenti, hogy ahhoz, hogy generátorunk kimeneti ellenállás legalább egy nagyságrenddel kisebb legyen a tranzisztor bemeneti ellenállásának, az nem lehet nagyobb 3 ohmnál. Ilyen kis kimeneti ellenállása csak teljesítményerősítőknek vagy visszacsatolt erősítőknek van, tehát nekünk el kell érnünk, hogy bipoláris tranzisztoraink bemeneti ellenállása ettől lényegesen nagyobb legyen. Ennek eszköze az áram-visszacsatolás.



«           Tartalom           »