úvod
Tranzistor je polovodičová súčiastka s tromi vývodmi, ktorá zmenila svet. Je v každom mobile, počítači, aute aj práčke. Robí dve veci: spína prúd bez pohyblivých častí a zosilňuje slabé signály.
teória
Báza, kolektor, emitor
Tranzistor má tri vývody: bázu B, kolektor C a emitor E. Hlavný prúd tečie z kolektora do emitora, ale len vtedy, keď ide malý prúd aj do bázy. Báza je ako kohútik: malý prúd bázy otvorí cestu veľkému prúdu kolektora.
- Keď do bázy nejde prúd, tranzistor je zatvorený a spotrebičom v kolektore prúd nejde.
- Keď do bázy ide malý prúd, tranzistor sa otvorí a kolektorom ide oveľa väčší prúd, často stokrát väčší.
Pred bázu sa vždy zapája rezistor, ktorý prúd bázy obmedzí. Bez neho by sa tranzistor zničil.
teória
Tranzistor ako spínač
Tlačidlo pred bázou vie zapnúť žiarovku, cez ktorú ide veľký prúd, hoci samo prenáša len malý prúd bázy. Namiesto tlačidla môže bázu riadiť snímač. Nočná lampa má fotorezistor v deliči napätia: na svetle má malý odpor a báza nedostane dosť napätia. Za tmy odpor fotorezistora narastie, na bázu príde napätie, tranzistor sa otvorí a LED sa rozsvieti. Rovnako funguje termostat s termistorom alebo hlásič, ktorý pípne, keď voda vystúpi na čidlo.
súčiastky v stavebnici
Čo je čo
Hore značka, ktorou súčiastku kreslíš do schémy, pod ňou ako vyzerá naozaj. V stavebnici ich prepneš tlačidlom Schéma a Reálne.
- TranzistorPolovodičový spínač a zosilňovač s tromi vývodmi: báza B, kolektor C a emitor E. Malý prúd do bázy otvorí cestu z kolektora do emitora, ktorou ide oveľa väčší prúd.IC = β · IBBáza potrebuje rezistor za sebou. Bez neho veľký prúd bázy tranzistor zničí.
V stavebnici s Pingom zapojíš tranzistor a tlačidlom pred bázou rozsvietiš žiarovku. Potom podľa schémy postavíš nočnú lampu a zakryješ fotorezistor. Na strednej škole v laboratórnej práci zmeriaš prúd bázy a kolektora a z grafu určíš zosilnenie.
vyskúšaj si
Stavebnica: tranzistor a nočná lampa
Stavebnica sa načíta v prehliadači.
teória
Malá súčiastka, veľká zmena
Prvý tranzistor zostrojili v roku 1947 v amerických Bellových laboratóriách John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley. V roku 1956 za neho dostali Nobelovu cenu za fyziku. Tranzistory nahradili veľké a horúce elektrónky, a tak sa rádiá zmestili do vrecka a počítače z celých sál na stôl. Dnes sú tranzistory menšie ako väčšina vírusov a v procesore mobilu ich sú miliardy.
Zapamätaj si: tranzistor má bázu, kolektor a emitor. Malý prúd do bázy otvorí cestu veľkému prúdu z kolektora do emitora. Bez prúdu bázy je tranzistor zatvorený. Pred bázu patrí rezistor.
Ako je tranzistor postavený
Bipolárny tranzistor NPN má tri vrstvy polovodiča: tenkú vrstvu typu P (báza) medzi dvoma vrstvami typu N (kolektor a emitor). Prechod báza-emitor je ako dióda: otvorí sa pri napätí asi 0,7 V. Elektróny z emitora potom vletia do tenkej bázy a väčšina z nich ju prejde až do kolektora. Len malá časť odtečie bázou. Preto malý prúd bázy riadi veľký prúd kolektora. Tranzistor PNP má vrstvy opačne a prúdy v opačnom smere.
Režimy tranzistora
- Zatvorený: prúd bázy je nulový, kolektorom prúd nejde.
- Zosilňovací režim: prúd kolektora je priamo úmerný prúdu bázy, IC = β · IB. Číslo β je prúdové zosilnenie, pre bežné tranzistory 50 až 500.
- Nasýtený: tranzistor je otvorený naplno a na ňom je len asi 0,2 V. Väčší prúd bázy už prúd kolektora nezväčší, ten obmedzí spotrebič v kolektore. V tomto režime pracuje tranzistor ako spínač.
Emitorom odtečie prúd bázy aj prúd kolektora: IE = IB + IC.
Návrh rezistora pred bázou
Tranzistor s β = 100 má spínať žiarovku s prúdom 0,3 A z batérie 6 V. Potrebuje prúd bázy aspoň IB = IC : β = 0,3 A : 100 = 3 mA. Na rezistore pred bázou je napätie 6 V − 0,7 V = 5,3 V, a tak R ≤ 5,3 V : 0,003 A ≈ 1 770 Ω. Volí sa menší rezistor, napríklad 1 kΩ, aby sa tranzistor otvoril naplno aj pri menšom β.
Zosilňovač a logika
Keď do bázy privedieš slabý striedavý signál z mikrofónu, prúd kolektora kopíruje jeho tvar, ale je β-krát väčší. To je zosilňovač. Niekoľko stupňov za sebou dokáže zosilniť signál tak, že roztočí membránu reproduktora.
V počítačoch pracujú tranzistory ako spínače. Keď je na báze napätie (logická 1), tranzistor vedie a výstup na kolektore spadne skoro na nulu (logická 0). Bez napätia na báze je výstup na plnom napätí. Takýto obvod je invertor, logické hradlo NIE. Z hradiel sa skladajú sčítačky, pamäte aj celé procesory. V čipoch sa namiesto bipolárnych tranzistorov používajú tranzistory riadené poľom (MOSFET), ktoré riadi napätie na riadiacej elektróde takmer bez prúdu.
rozšírenie Moorov zákon
V roku 1965 si Gordon Moore, neskorší spoluzakladateľ firmy Intel, všimol, že počet tranzistorov na čipe sa každý rok až dva zdvojnásobí. Táto pravidelnosť vydržala desaťročia: prvý mikroprocesor z roku 1971 mal asi 2 300 tranzistorov, dnešné procesory desiatky miliárd. Tranzistory sa však už blížia k veľkosti niekoľkých desiatok atómov a ďalšie zmenšovanie je čoraz ťažšie, preto inžinieri hľadajú nové materiály a čipy stavajú vo viacerých vrstvách nad sebou.
teória
Časté chyby
- „Tranzistor vyrába prúd.“ Tranzistor prúd len riadi. Energiu dodáva zdroj v kolektorovom obvode.
- „Báza sa môže pripojiť priamo na batériu.“ Bez rezistora pred bázou ide prechodom báza-emitor obrovský prúd a tranzistor sa zničí.
- „Väčší prúd bázy vždy znamená väčší prúd kolektora.“ Keď je tranzistor nasýtený, prúd kolektora už ďalej nerastie.
- „Na poradí vývodov nezáleží.“ Kolektor a emitor nie sú rovnaké, otočený tranzistor zosilňuje len veľmi slabo alebo vôbec.
Ako sa elektrinou doma bezpečne narába a čo robí istič a chránič, ukazuje ďalšia lekcia Elektrina doma a bezpečnosť.