Tranzystor bipolarny
Problem - tranzystor bipolarny
Chcesz użyć w swoim projekcie przełącznika cyfrowego, aby za jego pomocą włączać i wyłączać przepływ prądu.
Rozwiązanie
Zastosuj tani tranzystor bipolarny.
Tranzystory bipolarne, takie jak 2N3904, kosztują naprawdę grosze i często są podłączane do wyjścia mikrokontrolera w komputerkach Arduino lub Raspberry Pi, żeby zwiększyć wartość prądu sterowanego tym wyjściem.
Na rysunku 5.1 można zobaczyć schematyczny symbol tranzystora bipolarnego oraz jeden z jego najpopularniejszych modeli — 2N3904. Tranzystor ten jest zamknięty w czarnej obudowie o oznaczeniu TO-92. Okazuje się, że wiele tranzystorów niskiej mocy również umieszcza się w takiej obudowie.
Rysunek 5.1. Schematyczny symbol tranzystora bipolarnego oraz samo urządzenie
Na schematach symbole tranzystorów umieszczane są zwykle wewnątrz kółka, choć czasami stosowany jest sam symbol bez koła.
Trzy wyprowadzenia tranzystora widoczne na rysunku 5.1 to od góry do dołu:
- Kolektor — prąd zasilający, który ma być sterowany, wpływa właśnie do kolektora.
- Baza — kontroluje cały układ.
- Emiter — sterowany prąd wypływać będzie przez emiter.
Prąd wpływający do kolektora i wypływający z emitera jest kontrolowany przez prąd o znacznie niższym natężeniu, który będzie wpływać do bazy, a wypływać z emitera. Stosunek wartości prądu bazy do prądu kolektora nazywany jest wzmocnieniem tranzystora i zazwyczaj ma wielkość od 100 do 400. Oznacza to, że dla tranzystora o wzmocnieniu 100 prąd 1 mA płynący od bazy do emitera pozwoli na przepływ prądu o natężeniu do 100 mA między kolektorem a emiterem.
Opis - tranzystor bipolarny
Żeby dowiedzieć się, jak można użyć tranzystora w roli przełącznika, spróbuj zbudować układ z rysunku 5.2, wykorzystując do tego rozkład elementów na płytce prototypowej przedstawiony na rysunku 5.3. Na początek dobrze jest zapoznać się z wprowadzeniem do używania płytek prototypowych z przepisu 20.1.
Rysunek 5.2. Schemat pierwszego eksperymentu z tranzystorem
Rysunek 5.3. Układ elementów na płytce prototypowej do eksperymentu z tranzystorem
Naciśnięcie przycisku spowoduje zapalenie się diody LED. Oczywiście ten efekt można by uzyskać znacznie prostszą metodą, łącząc szeregowy przycisk, rezystor R2 i diodę LED. Tutaj jednak chodzi o to, że przycisk umożliwia przepływ prądu do tranzystora przez rezystor R1. Szybko możemy policzyć, że największy prąd, jaki może popłynąć przez rezystor R1 i bazę tranzystora, wynosi:
W rzeczywistości popłynie jeszcze mniejszy prąd, ponieważ ignorujemy tutaj spadek napięcia o 0,5 V pomiędzy bazą a emiterem tranzystora. Jeżeli chcielibyśmy być precyzyjni, to faktyczny prąd należałoby policzyć następująco:
Ten niewielki prąd płynący przez bazę może sterować przepływem znacznie większego prądu o natężeniu (zakładając napięcie Vf diody LED wynoszące 1,8 V):
Podobnie jak w przypadku diody w załączonym tranzystorze bipolarnym również istnieje niemal stały spadek napięcia między bazą a emiterem, wynoszący od 0,5 do 1 V.
Ograniczanie prądu bazy - tranzystor bipolarny
Rezystor ograniczający prąd płynący przez bazę tranzystora (na rysunku 5.2 był to rezystor R1) jest niezwykle istotny, ponieważ w przypadku, gdy popłynie przez nią za duży prąd, tranzystor może się przegrzać i ostatecznie wyzionąć ducha w postaci
chmurki dymu.
Dzięki temu, że baza tranzystora wymaga jedynie niewielkiego prądu, żeby móc sterować przepływem znacznie większych prądów, to można ulec złudzeniu, że ma ona naturalnie wysoką rezystancję ograniczającą przepływ prądu. Tak jednak nie jest,
a w momencie, gdy napięcie na bazie przekroczy wartość 0,6 V, dokona ona samozniszczenia, pobierając prąd o ogromnym natężeniu. Dlatego zawsze pamiętaj o umieszczeniu przed bazą rezystora R1.
Opisany tutaj tranzystor bipolarny należy do najpowszechniej stosowanych tranzystorów typu npn (negatyw-pozytyw-negatyw). W tej nazwie nie chodzi o to, że tranzystor nie może podjąć decyzji, ale wynika ona z faktu, że składa się on z trzech warstw — jak w kanapce, w której warstwy n (negatywne) pełnią rolę kromek chleba, natomiast wypełnienie pomiędzy nimi tworzy warstwa p (pozytywna). Jeżeli chcesz dokładniej poznać strukturę tranzystora, możesz zajrzeć na stronę: https://pl.wikipedia.org/wiki/Tranzystor_bipolarny.
Istnieje też drugi, mniej popularny rodzaj tranzystora bipolarnego — pnp. W tym typie tranzystora to wypełnienie kanapki jest naładowane negatywnie, a zewnętrzne okładki są pozytywne. Oznacza to, że cały tranzystor został postawiony na głowie. Na rysunku 5.2 obciążenie (czyli dioda LED i rezystor) zostało podłączone po dodatniej stronie baterii, a przełączanie odbywało się po
stronie ujemnej. Jeżeli w tym samym układzie chcielibyśmy wykorzystać tranzystor pnp, to całość musiałaby wyglądać tak jak na rysunku 5.4.
Rysunek 5.4. Użycie tranzystora pnp
Zobacz również
Jeżeli wzmocnienie tranzystora jest niewystarczające, to możesz pomyśleć nad zastosowaniem tranzystora Darlingtona albo tranzystora MOSFET. Jeżeli jednak chodzi bardziej o przełączanie obciążenia o dużej mocy, to lepiej będzie użyć tranzystora
MOSFET albo IGBT. Pod adresem http://www.farnell.com/datasheets/1686115.pdf znajdziesz specyfikację techniczną
jednego z najpopularniejszych tranzystorów małej mocy — 2N3904.
