Preskočiť na obsah
Chcete tieto pokusy naživo? Prinesiem ich do vašej školy ako show.Show a workshopy
Späť

Vzdelávanie · Fyzika

Elektrina

lekcia 14

Tranzistor

Úroveň výkladu:
základná školastredná škola, s rozšíreniami pre náročnejších

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.
Všetky súčiastky v katalógu stavebnice

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.

zosilnenie a rezistor pred bázou

Tranzistor

príklad 1

0 / 0

rozumieš tomu?

Otestuj sa

5 otázok · úroveň ZŠ3 otázok · úroveň SŠ

Kvíz: Tranzistor

Otázka 1/5

Na čo sa najčastejšie používa tranzistor?

Skóre: 0

Najprv vyber odpoveď.

Chcete tento pokus naživo?

Ukážem ho vašim žiakom na chemickej show: 15 pokusov za jednu hodinu, 5 € na žiaka.

Rezervovať termín

Nahlásiť chybu

Chyba v texte, zlá odpoveď alebo niečo, čo nefunguje? Stačí pár slov.

Čo sa stalo?
vedeckeokienko.sk/

Hlásenie uvidí len správca webu. Osobné údaje sem nepatria. Ochrana osobných údajov