Zastosowania Tranzystorów

Wprowadzenie do Kursu Online NPTEL dotyczącego Mechatroniki

Mechatronika to interdyscyplinarna dziedzina inżynierii, która łączy inżynierię mechaniczną, elektryczną, elektroniczną, kontrolę systemów i informatykę w celu projektowania i produkcji inteligentnych systemów i produktów. W kursie online NPTEL skupiamy się na fundamentach elektroniki, które są niezbędne w systemach mechatronicznych.

Tematy dyskusji

  • Omówienie aplikacji tranzystorów, które stanowią podstawę wielu układów sterowania i wykonawczych w mechatronice.

  • Wprowadzenie do dwóch głównych typów tranzystorów: tranzystorów polowych (FET) oraz tranzystorów polowych z tlenkiem metalu (MOSFET), które są szeroko stosowane ze względu na swoje unikalne właściwości.

Tranzystory Bipolarne (BJT)

Definicja i zastosowania

a. Tranzystory bipolarne (BJT) to kluczowe elementy elektroniczne, które działają poprzez kontrolowanie dużego prądu wyjściowego za pomocą małego prądu wejściowego. Są powszechnie używane w dwóch głównych typach zastosowań:

  • Wzmocnienie prądu: BJT mogą wzmacniać sygnały analogowe, operując w obszarze aktywnym, co sprawia, że są idealne do wzmacniaczy audio, częstotliwości radiowych i innych aplikacji, gdzie wymagane jest zwiększenie mocy sygnału.

  • Przełączanie: Funkcjonują jako szybkie przełączniki w systemach cyfrowych, umożliwiając jednodookreślenie stanów binarnych (0 i 1). W tym trybie pracy tranzystor działa w obszarach zatkania (off) i nasycenia (on).

Konfiguracje połączeń

a. Popularne geometrie połączeń tranzystora, każda z unikalnymi charakterystykami wzmocnienia, impedancji wejściowej i wyjściowej:

  • Wspólna baza (Common Base - CB): Charakteryzuje się niską impedancją wejściową i wysoką impedancją wyjściową, a także wzmocnieniem prądowym bliskim jedności. Głównie stosowana jako bufor prądowy lub we wzmacniaczach wysokiej częstotliwości.

  • Wspólna emiter (Common Emitter - CE): Jest najbardziej uniwersalną konfiguracją, oferującą zarówno wzmocnienie napięciowe, jak i prądowe. Posiada umiarkowaną impedancję wejściową i wyjściową. Powszechnie używana w dyskretnych układach wzmacniaczy.

  • Wspólny kolektor (Common Collector - CC): Znana również jako wzmacniacz buforowy emitera, charakteryzuje się wysoką impedancją wejściową i niską impedancją wyjściową oraz wzmocnieniem napięciowym bliskim jedności. Idealna do dopasowania impedancji.

  • Szczegółowe omówienie konfiguracji wspólnego emitera:

    • Wejściowy prąd to prąd bazy (oznaczany jako IBIB​), który kontroluje przepływ prądu przez tranzystor.

    • Wyjściowy prąd to prąd kolektora (oznaczany jako ICIC​), który jest wzmacnianą wersją prądu wejściowego.

    • Współczynnik wzmocnienia prądowego (ββ) to stosunek zmiany prądu kolektora (ΔICΔIC) do zmiany prądu bazowego (ΔIBΔIB) w obszarze aktywnym. Jest to kluczowy parametr dla zrozumienia możliwości wzmacniających tranzystora: β=ΔICΔIBβ=ΔIBΔIC​.

    • W praktyce, wartość ββ dla małych sygnałów wynosi zwykle około 100, ale może sięgać od 20 do 200, w zależności od tranzystora.

Charakterystyki tranzystora

a. Wejściowa charakterystyka (Base-Emitter):

  • Krzywa zależności VBEVBE (napięcie między bazą a emiterem) w porównaniu do IBIB (prąd bazy) jest podobna do charakterystyki diody prostowniczej.

  • Jeśli VBE<0.7VVBE<0.7V (dla krzemu), tranzystor jest w stanie zatkania (cutoff), co oznacza, że prąd bazy IBIB jest bardzo mały lub zerowy, a tranzystor nie przewodzi prądu kolektora (IC≈0IC​≈0).