Tranzystor: definicja, zasada działania i zastosowania w elektronice

Tranzystor: definicja, zasada działania i zastosowania — poznaj rodzaje, działanie (MOSFET) oraz praktyczne zastosowania w wzmacniaczach i układach cyfrowych.

Tranzystor jest elementem elektronicznym, który może być używany jako część wzmacniacza lub jako przełącznik. Jest on wykonany z materiału półprzewodnikowego. Tranzystory znajdują się w większości urządzeń elektronicznych. Tranzystor stanowił duży postęp po lampie triodowej, zużywając znacznie mniej energii elektrycznej i działając o wiele lat dłużej, do przełączania lub wzmacniania innego prądu elektronicznego.

Tranzystor może być używany do wielu różnych rzeczy, w tym wzmacniaczy i przełączników cyfrowych dla mikroprocesorów komputerowych. W pracy cyfrowej używa się głównie MOSFET-ów. Niektóre tranzystory są pakowane pojedynczo, głównie po to, aby mogły obsługiwać duże moce. Większość tranzystorów znajduje się wewnątrz układów scalonych.

Definicja i krótka historia

Tranzystor to aktywny element półprzewodnikowy zdolny do kontrolowania przepływu prądu pomiędzy dwoma zaciskami za pomocą napięcia lub prądu przyłożonego do trzeciego zacisku. Pierwsze praktyczne tranzystory wynaleziono w Bell Labs w 1947 roku (John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley), co zapoczątkowało erę nowoczesnej elektroniki i umożliwiło miniaturyzację urządzeń.

Budowa i podstawowe typy

Najczęściej spotykane typy tranzystorów to:

• BJT (bipolar junction transistor) – tranzystor bipolarny, występuje w odmianach NPN i PNP. Sterowany jest prądem bazy; typowe symboliczne równanie wzmocnienia prądu to I_C ≈ β·I_B, gdzie β (hFE) to wzmocnienie prądowe.
• MOSFET – tranzystor polowy z izolowaną bramką (najczęściej używany w układach cyfrowych). Występują wersje enhancement i depletion oraz kanały N i P. W technologiach cyfrowych dominują układy CMOS (połączenie NMOS i PMOS).
• IGBT – połączenie cech MOSFET-a i BJT-a, stosowany w układach mocy przy wyższych napięciach i prądach (np. przetwornice, falowniki).
• Tranzystory specjalne – np. JFET, MESFET, HEMT, przeznaczone do zastosowań wysokoczęstotliwościowych lub specjalistycznych.

Zasada działania (w skrócie)

W tranzystorze bipolarnym (BJT) niewielki prąd bazy steruje znacznie większym prądem kolektora–emitera. Tranzystor pracuje w różnych stanach: odcięcia (brak przewodzenia), aktywnej (wzmacnianie) i nasycenia (przełącznik włączenia). W tranzystorze polowym (MOSFET) napięcie na bramce tworzy pole elektryczne, które zmienia przewodność kanału między drenem a źródłem; przy odpowiednim napięciu bramka praktycznie nie pobiera prądu (izolacja dielektryczna).

Parametry i charakterystyki

Do ważnych parametrów tranzystora należą m.in.:

• I_C / I_D – maksymalny prąd kolektora/drenu;
• V_CE / V_DS – maksymalne napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem / drenu a źródłem;
• P_tot – maksymalna moc strat (odzysk ciepła wymaga radiatora w tranzystorach mocy);
• β (hFE) – wzmocnienie prądowe BJT;
• R_DS(on) – rezystancja w stanie włączenia MOSFET-a (ważna dla strat mocy przy przełączaniu);
• Częstotliwość graniczna – określa zakres stosowania w układach wysokich częstotliwości.

Zastosowania

Tranzystory mają szeroki zakres zastosowań — przykłady:

• wzmacniacze audio i radiowe,
• elementy przełączające w logice cyfrowej i mikroprocesorach (głównie MOSFETy w technologiach CMOS),
• regulatory napięcia i prądu, przetwornice DC–DC, falowniki, sterowniki silników (z użyciem tranzystorów mocy i IGBT),
• czujniki i układy pomiarowe,
• układy RF i komunikacyjne (specjalne tranzystory HF),
• elementy układów scalonych — miliony/tranzystorów w jednym chipie tworzą procesory i pamięci.

Opakowania i montaż

Tranzystory występują w obudowach przewlekanych (np. TO-220, TO-39) oraz powierzchniowych (SMD, np. SOT-23). Tranzystory mocy często montuje się na radiatorach, aby odprowadzać ciepło. W układach scalonych tranzystory są zintegrowane na krzemowej płytce i nie są widoczne jako pojedyncze elementy.

Praktyczne uwagi

• Dobór tranzystora do projektu: zwróć uwagę na maksymalne napięcie, prąd, straty mocy i częstotliwość pracy.
• Pasywacja termiczna: tranzystory mocy wymagają chłodzenia – bez odpowiedniego odprowadzenia ciepła może nastąpić thermal runaway i uszkodzenie elementu.
• Biasing: poprawne polaryzowanie (ustawienie prądu spoczynkowego) jest kluczowe dla stabilnej pracy wzmacniacza.
• Ochrona: stosuj zabezpieczenia przeciwprzeciążeniowe i przeciwzwarciowe tam, gdzie prąd i napięcie mogą przekroczyć dopuszczalne wartości.

Podsumowanie

Tranzystor to uniwersalny i niezbędny element współczesnej elektroniki. Dzięki różnorodności typów (BJT, MOSFET, IGBT itd.) i opakowań znajdzie zastosowanie zarówno w małych układach analogowych, jak i w złożonych procesorach oraz urządzeniach mocy. Zrozumienie zasad działania, parametrów i ograniczeń tranzystora pozwala na właściwy dobór i bezpieczne użycie w projektach elektronicznych.

Jak działają

Tranzystory mają trzy zaciski: bramkę, dren i źródło (w tranzystorze bipolarnym przewody te można nazwać emiterem, kolektorem i bazą). Kiedy źródło (emiter) jest podłączone do ujemnego bieguna baterii, a dren (kolektor) do bieguna dodatniego, w obwodzie nie popłynie prąd (jeśli masz tylko lampę w szeregu z tranzystorem). Jeśli jednak zetkniemy razem bramkę i dren, tranzystor przepuści prąd. Dzieje się tak dlatego, że gdy bramka jest naładowana dodatnio, dodatnie elektrony będą wypychać inne dodatnie elektrony w tranzystorze, pozwalając na przepływ ujemnych elektronów. Tranzystor może również działać, gdy bramka jest naładowana dodatnio, więc nie musi dotykać drenu.

Wizualizacja

Łatwy sposób myślenia o tym jak działa tranzystor to jak wąż z ostrym zakrętem, który nie pozwala wodzie przejść. Woda to elektrony, a kiedy naładujesz dodatnio bramkę, rozchyla ona wąż, pozwalając wodzie płynąć.

Podstawowy obwód tranzystora Darlingtona jest utworzony z dwóch tranzystorów bipolarnych połączonych emiterem do bazy tak, że działają jak jeden tranzystor. Jeden z tranzystorów jest podłączony tak, że kontroluje prąd płynący do bazy drugiego tranzystora. Oznacza to, że można kontrolować tę samą ilość prądu przy bardzo małej ilości prądu płynącego do bazy.

Kiedy środkowy pin jest zasilany, zasilanie może płynąć.


Symbol obwodu tranzystora Darlingtona. B" oznacza bazę, "C" - kolektor, a "E" - emiter.

Szukaj według litery