Tranzistorius: kas tai, kaip veikia, tipai ir panaudojimas

Tranzistorius yra elektroninis komponentas, kuris gali būti naudojamas kaip stiprintuvo dalis arba kaip jungiklis. Jis pagamintas iš puslaidininkinės medžiagos. Tranzistorių yra daugumoje elektroninių prietaisų. Tranzistorius buvo didelė pažanga po triodinio vamzdelio, nes perjungti arba sustiprinti kitą elektroninę srovę sunaudojama daug mažiau elektros energijos ir veikia daug metų ilgiau.

Tranzistorius gali būti naudojamas įvairiems tikslams, įskaitant stiprintuvus ir skaitmeninius kompiuterių mikroprocesorių jungiklius. Skaitmeniniuose darbuose dažniausiai naudojami MOSFET. Kai kurie tranzistoriai yra atskirai supakuoti, daugiausia dėl to, kad galėtų dirbti su didele galia. Dauguma tranzistorių yra integrinių grandynų viduje.

Trumpa istorija

Pirmuosius veikiančius tranzistorius 1947 m. sukūrė Bell Labs mokslininkai John Bardeen, Walter Brattain ir William Shockley. Tai leido kurti mažesnius, patikimesnius ir energiją taupančius elektroninius įrenginius nei triodiniai vamzdeliai.

Kaip veikia tranzistorius

Trumpai tariant, tranzistorius valdo srovę arba įtampą viename grandinės taške naudodamas kitą signalą. Yra dvi pagrindinės veikimo principo kategorijos:

• Bipolinis jungtinis tranzistorius (BJT) – tai srovę valdo bazės srovė. BJT turi tris gnybtus: emiterį, bazę ir kolektorių. Pagal laidininkų tipą skirstomi į NPN ir PNP. BJT yra „srovės valdomas“ įrenginys ir dažnai naudojamas signalo stiprinimui.
• Lauko efektų tranzistorius (FET) – tai įtampa valdomas įrenginys. Turi gnybtus: šaltinį (source), kanalą (drain) ir valdiklį (gate). Populiariausi FET tipai yra JFET ir MOSFET. MOSFET’ai plačiai naudojami skaitmeninėje technikoje dėl mažos įėjimo srovės ir didelio greičio.

Pagrindiniai tranzistorių tipai

• BJT (NPN, PNP) – stiprina signalus, dažnai naudojami analoginėse grandinėse.
• MOSFET (N-channel, P-channel) – plačiai naudojami tiek galingose, tiek mažos galios skaitmeninėse grandinėse.
• JFET – paprastesnis FET tipas, dažnai naudojamas signalo grandinėse su mažomis triukšmo reikšmėmis.
• IGBT – derina MOSFET valdymą su BJT galia, plačiai naudojamas galios elektronikoje (variklių valdymas, keitikliai).
• Specifiniai puslaidininkiai – tranzistoriai iš GaAs, SiC ar kitų medžiagų, naudojami aukštos dažnio arba aukštos temperatūros taikymams.

Pagrindinės charakteristikos ir parametrai

• Vmax – didžiausia leistina kolektoriaus/draino-šaltinio (Vce arba Vds) įtampa.
• Ic arba Id – didžiausia srovė, kurią tranzistorius gali saugiai varyti.
• Hfe arba β – srovės sustiprinimas BJT atveju.
• Rds(on) – MOSFET vidinis varžos reikšmė pilnai įjungus; svarbu galios nuostoliams.
• Gain bandwidth – dažnio juosta, kurioje tranzistorius efektyviai stiprina signalą.
• Power dissipation – šiluminis nuostolis, kurį reikia pašalinti aušinimu.

Dažniausios konfigūracijos

• Common emitter / common source – suteikia didelį voltinį sustiprinimą, dažnai naudojama kaip bendras stiprintuvas.
• Common base / common gate – maža įėjimo varža, naudojama tam tikrose RF grandinėse.
• Emitter follower / source follower – mažas išėjimo varžos režimas, naudojamas kaip buferis.

Panaudojimas

Tranzistoriai randami beveik visur elektronikoje. Pagrindinės sritys:

• Analoginiai stiprintuvai (audio, radijo imtuvai).
• Skaitmeninė logika ir mikroprocesoriai (tūkstančiai ar milijardai MOSFET elementų integriniuose grandynuose).
• Galios elektronika (maitinimo blokai, variklių valdymas, invertoriai) – čia dažnai naudojami MOSFET ir IGBT.
• RF ir aukšto dažnio grandinės – specialūs transistoriniai tipai iš kitų medžiagų (pvz., GaAs).
• Jutikliai ir valdikliai – tranzistoriai naudojami kaip signalo stiprintuvai ar komparatoriai.

Gamyba ir medžiagos

Dauguma tranzistorių gaminama iš silicio. Anksčiau vartotas germanis, o ypatingiems taikymams naudojami GaAs, SiC ir kiti puslaidininkiai, kurie geriau veikia aukštoje temperatūroje arba aukštuose dažniuose.

Montavimas, aušinimas ir pakuotės

Galingi tranzistoriai dažnai montuojami ant radiatorių arba aušinami aktyviai (ventiliatoriais). Jie taip pat supakuojami į įvairias pakuotes (TO-220, SMD pakuotės ir kt.). Integriniuose grandynuose tranzistoriai būna labai maži ir jų parametrai optimizuoti konkrečiai funkcijai.

Privalumai ir trūkumai

• Privalumai: maži gabaritai, didelis patikimumas, mažesnės energijos sąnaudos nei vamzdeliams, greitas perjungimas.
• Trūkumai: jautrumas statinei elektrai (ypač MOSFET vartai), ribotas maksimalus šiluminis ir įtampos sąlygas palyginti su kai kuriais specialiais vamzdeliais, reikalauja tinkamo aušinimo didelėse galiose.

Patarimai pradedantiesiems

• Atidžiai skaitykite tranzistoriaus duomenų lapą (datasheet) prieš naudojant — ten nurodomos svarbiausios ribos ir rekomenduojamos sąlygos.
• MOSFET aiškiai saugokite nuo statinės elektros iškrovų (ESD); dirbkite su antistatinėmis priemonėmis.
• Galingiems tranzistoriams apskaičiuokite šilumos kiekį ir numatykite tinkamą aušinimą.
• Praktikuokitės su paprastomis grandinėmis: paprastas stiprintuvas su BJT arba jungiklis su MOSFET yra geras pradžios projektas.

Apibendrinant: tranzistorius yra universalus puslaidininkis elementas, esminis tiek analoginėje, tiek skaitmeninėje elektronikoje. Jis leidžia valdyti srovę ar įtampą efektyviai, ir dėl to tapo pagrindiniu komponentu šiuolaikiniuose elektroniniuose įrenginiuose.

Kaip jie veikia

Tranzistoriai turi tris gnybtus: užtvarą, nutekėjimą ir šaltinį (dvipoliame tranzistoriuje laidai gali būti vadinami emiteriu, kolektoriumi ir baze). Kai šaltinis (arba emiteris) prijungtas prie neigiamo akumuliatoriaus gnybto, o nutekėjimas (arba kolektorius) - prie teigiamo gnybto, elektros srovė grandinėje neteka (jei nuosekliai su tranzistoriumi sujungta tik lempa). Tačiau kai paliesite drainą ir užtvarą kartu, tranzistorius praleis elektrą. Taip yra todėl, kad kai užtūra įkrauta teigiamai, teigiami elektronai stumia kitus tranzistoriaus teigiamus elektronus, praleisdami neigiamus elektronus. Tranzistorius gali veikti ir tada, kai užtūra yra tik teigiamai įkrauta, todėl nereikia liesti draivo.

Vizualizacija

Tranzistoriaus veikimą galima įsivaizduoti kaip žarną su aštriu išlenkimu, kuris stabdo vandens pratekėjimą. Vanduo - tai elektronai, o kai teigiamai įkraunate užtvarą, ji atlenkia žarną ir leidžia vandeniui tekėti.

Pagrindinė Darlingtono tranzistoriaus grandinė sudaryta iš dviejų dvipolių tranzistorių, sujungtų emiteriu su baze, todėl jie veikia kaip vienas tranzistorius. Vienas iš tranzistorių sujungtas taip, kad jis kontroliuotų srovę į kito tranzistoriaus bazę. Tai reiškia, kad galima valdyti tokį patį srovės kiekį, kai į bazę patenka labai mažas srovės kiekis.

Kai centrinis kaištis įjungtas, gali tekėti elektros srovė.


Darlingtono tranzistoriaus grandinės simbolis. "B" reiškia bazę, "C" - kolektorių, o "E" - emiterį.

Paieška pagal raidę