Egyszerű elektronika: Tranzisztor I.

TranzisztorA diódákról szóló fejezet után a tranzisztorok kerülnek terítékre....
Húha. Ez egy nagy falat lesz, így csak nehogy a torkodon akadjon! Szóval jól megrágni, kis darabokban lenyelni...

 

 

A tranzisztoroknak számos típusa létezik - ebben a fejezetben az egyik leggyakoribb, ún. bipoláris tranzisztort vizsgáljuk meg. Ezek sematikus rajza így néz ki (Forrás: Wikipedia):

A tranzisztor három kivezetéssel bír, úgymint bázis (Base), kollektor (Collector) és emitter (Emitter). A konvencionális megközelítés szerint az áram a pozitív oldal felől a negatív irányba folyik, így az NPN tranzisztor könnyen megtanulható:

  • a kollektor: gyűjtő - más néven itt gyűlik az áram. Ez a láb szedi össze az áramot és innen áramlik a tranzisztorba,
  • az emitteren keresztül áramlik ki az áram a föld (GND vagy 0V) irányába,
  • a bázis a vezérlőláb, ez határozza meg, hogy a tranzisztor mit tegyen.

Szóval mit lehet tenni vele?

Először legyen a tranzisztor erősítő. A bázisára 1 mA áramot csorgassunk és a kollektor emitter közt folyjon az erősített áram. Az erősítése 50 és 500 közt lehet, típustól és kialakítástól függően: azaz 50..500 mA közt várható az eredmény!
Fontos! Nem az írtam, hogy ennyit generál a tranzsztor, hanem ha a kollektor és az emitter közt feszültségkülönbség van, akkor a bázisáram ennyiszerese folyhat maximum (túllépve a határt a tranzisztor megsül)! Ami fontos, az a bázisba befolyó és a kollektor-emitteren folyó aránya!
Ez a dolog nem ennyire egyszerű. Hogy értendő az hogy ennyi áram folyik keresztül valamin? Ez még a vízanalógia esetén sem működik, hogy ennyit kényszerítünk át a szűkületen! Víz esetén is csak a nyomásra (magasságra, azaz villamosan: feszültségre) van hatásunk! Ezért fontos azt tisztázni, hogy ez az "átfolyatható áram" ez egy maximális szint, azaz határérték! A tranzisztorok hálátlan, érzékeny jószágok. Egy pici határérték túllépés és azonnal megemik a kalapjukat és kijön a működtető füst.

Nem olyan egszerű dolog valójában az áram szabályozása. Hiszen az ATMega chipen mit csinálunk? Ki-/bekapcsoljuk a lábat illetve magas vagy alacsony feszültségszintre rakjuk! De hogyan lesz a feszültségből áram?! - Ezt mondja ki az Ohm törvénye. Azaz használjunk ellenállást!

A legegyszerűbb tranzisztoros áramkör

 

A bemenetre feszültséget kapcsolva, az R1 ellenálláson át megindul az áram. Ez persze nem nőhet az égig, mivel az ellenállás lekorlátozza. A kollektor és a tápfeszültség közé is egy ellenállás került, mert a tranzisztorral mégsem célünk a tápfeszültség és a GND rövidrezárása. Az ellenállás itt is határoló szerepet tölt be.

De mekkora ez a limit? Ezt természesen a feszültség és az ellenállás határozza meg. De nézzük, hogyan:

  • A "+" feszültség a szokásos 3.3V vagy 5V. A példánkban legyen 3.3V (és a GND a 0V),
  • A bemeneten ideális esetben 0V vagy 3.3V lesz,
  • Az R1 ellenállás 1000 Ω,
  • Az R2 ellenálás 100 Ω.

A maximális áram, ami a bázison át folyik, nem lehet több az ellenállás miatt, mint 3.3 mA (az Ohm-törvény alapján: I= U/R, azaz I= 3.3V / 1000Ω = 3.3mA)
A maximális áram a kollektor és az emitter közt akkor folyik, ha rövidzárként kapcsoljuk. Ez a 100Ω ellenállás miatt azonban ahol 3.3V-os a tápfeszültség: 33mA.
Fontos! A méretezéskor a legrosszabb eset elvét követtük (worst case). Így a tranzisztorunk minden körülmények közt életben marad.
Az elméleti tranzisztor így viselkedik. Azonban a gyakorlati egy picit másképpen. Az eddigi 3.3mA bázisáram illetve 33mA kollektoráram az NPN tranzisztoron bemutatható volt. De nézzünk egy kis gyakorlatot:
Mi történik, ha a bemeneten 0V (GND) van?

  • A bázison át nem folyik áram,
  • Amíg a tranzisztor erősítőként működik, a bázison befolyó 0mA-t hiába erősíti, 0mA kollektoráram marad,
  • A collector és emitter közt úgy viselkedik, mintha szakadás lenne,
  • Az R2-n nem folyik áram,
  • A feszültség az ohm törvény alapján az R2-n 0V (U= I x R = 0V x 100Ω = 0mA),
  • A kimeneten 3.3V van, mint ahogyan az R2 túloldalán is.

Mi történik, ha a bemenetre 3.3V-ot kapcsolunk:

  • Áram folyik az R1-en át,
  • Jó nagy áram folyik át a kollektortól az emiter felé,
  • A kollektor-emitter többé-kevésbé rövidzárként viselkedik,
  • Ez azt jelenti, hogy a kimeneten közel 0V jelenik meg.

Sikerült előállítanunk ezzel egy jelfordítót, mert ha a bemeneten 3.3V van, a kimeneten 0V és fordítva: ha a bemeneten 0V, a kimeneten 3.3V!

 

Mondtam, hogy ez nagy falat. A következő leckében tovább boncoljuk a valódi trazisztort...

TavIR-Facebook