1.pdf

Pierwsze kroki

Tranzystory

dla początkujących

W najbliższych numerach EdW przed−

stawię ci cykl artykułów dotyczący tran−

zystorów.

Wszyscy stosujemy te elementy, ale

ty chciałbyś bliżej zapoznać się z tranzys−

torami i dokładnie poznać ich tajemnice.

Słusznie!

Zaczniemy od podstaw. Oczywiście

najpierw weźmiemy na warsztat tranzys−

tor bipolarny, czyli tak zwany „zwykły”

tranzystor.

Wiesz, że są tranzystory NPN oraz

PNP (inni piszą n−p−n i p−n−p). Te literki

wzięły się z typu półprzewodnika – mamy

mianowicie półprzewodnik typu p i pół−

przewodnik typu n. Ty jednak wcale nie

musisz wiedzieć, o co w tym wszystkim

chodzi. Uważam, że nie jest ci potrzebna

wiedza o dziurach, elektronach, pas−

mach, itp., dlatego spróbuję pokazać tran−

zystor od zupełnie nietypowej strony.

Takimi wynalazkami, jak wszelkiej

maści tranzystory polowe (MOSFET,

JFET zajmiemy się później.

Na początek zadam ci pytanie, tylko na

pozór proste: jak wyobrażasz sobie działa−

nie tranzystora? Czy potrafiłbyś jasno wy−

tłumaczyć komuś, jak działa tranzystor?

Zastanów się nad tym teraz przez

chwilę, potem ja poprowadzę cię swoim

tokiem rozumowania i na koniec skon−

frontujesz dotychczasowe wyobrażenia

z nowymi.

Choć temat nie jest specjalnie trudny,

kilka spraw wymaga gruntownego wyjaś−

nienia. Dlatego zanim w następnym od−

cinku wyjaśnię ci działanie tranzystora,

wcześniej wspólnie zastanowimy się nad

pewnymi utartymi wyobrażeniami zwią−

zanymi z prawem Ohma, pomówimy

o źródłach napięciowych i prądowych,

oraz przypomnimy sobie zasadę działania

gaźnika samochodowego.

zakorzeniony w świadomości większości,

jeśli nie wszystkich początkujących elekt−

roników. Czy i ty tak uważasz?

Jeśli tak, to już masz kłopot! Takie

uproszczone wyobrażenie o napięciu, ja−

ko sile sprawczej przepływu prądu, utrud−

niłoby między innymi zrozumienie działa−

nia tranzystora.

Właśnie dlatego musimy drobiazgowo

przewałkować teraz ten temat.

Czy zgodzisz się ze stwierdzeniem, że

napięcie jawi się nam dwojako:

1 – jako napięcie „samo w sobie”, po−

chodzące z jakiegoś źródła napięcia.

2 – napięcie jako wynik przepływu prą−

du przez opór.

Ale to drugie sformułowanie może bu−

dzić sprzeciw. Czy prąd może być przy−

czyną, napięcie – skutkiem? Czy prąd mo−

że przepływać przez opór bez obecności

napięcia?

Oczywiście napięcie i prąd są ze sobą

nieodłącznie związane. Jeśli weźmiemy ja−

kiś opór (czyli rezystancję R), to jeśli wystę−

puje na nim napięcie, musi też płynąć prąd

o wartości wynikającej z prawa Ohma (I

= U/R). Jeśli z kolei przez ten opór płynie

prąd, to musi na nim występować napięcie,

czy mówiąc inaczej spadek napięcia, okreś−

lony tym samym prawem Ohma (U = I×R).

W czym więc problem?

W zasadzie problemu nie ma, chodzi

tylko o twoje wyobrażenia. Jeśli bez za−

Wyobrażenia

Na podstawie codziennego doświad−

czenia trudno sobie wyobrazić przepływ

prądu bez obecności napięcia. Zazwyczaj

napięcie wyobrażamy sobie jako siłę

sprawczą, wręcz przyczynę przepływu prą−

du. Nie ma napięcia – to nie ma i przepły−

wu prądu. Coś podobnego jak z wodą: nie

ma ciśnienia – nie ma i przepływu wody.

Taki pogląd, że napięcie jest przyczyną,

a przepływ prądu skutkiem, jest głęboko

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98

Pierwsze kroki

strzeżeń zgadzasz się ze sformułowa−

niem, że napięcie (czy spadek napięcia)

może być rozumiane jako skutek przepły−

wu prądu, to możesz spokojnie ominąć

resztę materiału w tym śródtytule.

Jeśli do tej pory wyobrażałeś sobie, że

zawsze przyczyną jest napięcie, a prze−

pływ prądu – skutkiem, czytaj wszystko.

kran stawia przepływowi wody pewien

większy albo mniejszy opór.

Ilość przepływającej wody zależy nie

tylko od przekroju kranu, ale także od ciś−

nienia – czym wyższe ciśnienie, tym

większy przepływ wody (przy takim sa−

mym przekroju). Ilość przepływającej

wody zależy więc i od ciśnienia i od opor−

ności kranu. Nie masz chyba wątpliwoś−

ci, że ilość przepływającej wody zależy

od występującego ciśnienia? Większe

ciśnienie – więcej wody. Dokładnie tak

samo jest w obwodzie elektrycznym: na−

tężenie prądu (oznaczane literką I) zależy

od napięcia (oznaczanego U) i oporności

(ściślej rezystancji, oznaczanej zwykle li−

terką R). Czym większe napięcie, tym

większe natężenie prądu (przy takim sa−

mym oporze).

To jest oczywiście prawo Ohma (czy−

taj: oma)! Tak jest. Matematycznie wy−

raża to najważniejszy wzór elektro−

(tech)niki:

Teraz odkręcamy trochę zawór na koń−

cu rury. Zaczyna płynąć woda

Czy coś się zmieni?

Manometr A dalej pokazuje to samo

ciśnienie, natomiast manometr B wska−

zuje teraz nieco mniejsze ciśnienie.

Odkręcamy bardziej kran – płynie wię−

cej wody i wskazanie manometru B jest

jeszcze mniejsze.

Rozważmy skrajny przypadek.

Otwieramy całkowicie kran (przypuść−

my, że jest to nowoczesny zawór kulowy,

i istnieje taka możliwość). Teraz zawór

nie hamuje już wypływu wody. Woda pły−

nie z naszej rurki silnym strumieniem.

Przypuśćmy, że zbiornik jest ogromny

i wypływ takiej ilości wody nie ma wpły−

wu na jej poziom – przyjmujemy, że po−

ziom wody h oraz ciśnienie na dnie zbior−

nika (manometr A) cały czas pozostają ta−

kie same.

Jaką wartość ciśnienia wskaże teraz

manometr B?

Rusz głową!

Na pewno manometr A pokazuje cały

czas takie samo ciśnienie. Jest to ciśnie−

nie wywierane przez słup wody o wyso−

kości h. Podczas przepływu na całej dług−

ości rurki wody występują opory...

A więc manometr B pokaże wartość

bliską zeru!

Nie zgadzasz się?

Weź pod uwagę, że woda płynie przez

długą i stosunkowo cienką rurkę. Napoty−

ka przy tym na opór.

Po całkowitym otwarciu kranu, wypływo−

wi wody przeciwstawia się tylko opór rurki.

Przy danym stałym ciśnieniu (w punk−

cie A), wypływ wody jest odwrotnie pro−

porcjonalny do oporu stawianego przez

rurkę. To już wiesz – to przecież kolejna

ilustracja prawa Ohma. Dla obwodu elek−

trycznego.

Nieprzypadkowo na rysunku 1 umieś−

ciłem manometr C. Nie jest on podłączo−

ny do rurki, a więc cały czas pokazuje

wartość zero. Przy całkowitym otwarciu

zaworu, manometr B, który jest umiesz−

czony blisko wylotu rurki też będzie poka−

zywał ciśnienie bliskie zeru (pokazywałby

dokładnie zero, jeśli umieszczony byłby

dokładnie na wylocie rurki).

Najpierw pytania: Czym jest spadek

napięcia? Czy spadek napięcia i napięcie

to to samo?

Potoczne określenie spadku napięcia

może wprowadzić w błąd.

Na przykład weźmy baterię płaską

o napięciu 4,5V. Po dołączeniu żarówki,

napięcie zmniejszy się, czyli ktoś powie,

że wystąpił spadek napięcia z 4,5V do,

powiedzmy, 3,5V. Czasem napięcie

w sieci energetycznej spada poniżej no−

minalnego i mówi się, że występuje spa−

dek napięcia.

Ale takie potoczne określenia spadku

jako obniżenia wartości napięcia są

czymś innym, niż pojęcie spadku napię−

cia, jakim na co dzień posługujemy się

w elektronice.

Przyjrzymy się temu bliżej.

Jeśli czytałeś moje listy w EdW 12/96

do EdW 4/97 to znasz hydrauliczną analo−

gię obwodu elektrycznego. Jeśli dopiero

zaczynasz, i temat jest ci obcy, przypo−

mnę tylko to, co najważniejsze.

Prąd elektryczny to przepływ konkret−

nych nośników (elektronów). Z przepły−

wem prądu jest podobnie jak z przepły−

wem wody. Tam płyną elektrony, tu –

cząstki wody. Napięcie elektryczne jest

odpowiednikiem ciśnienia wody. Ale to

samo ciśnienie to jeszcze nie przepływ.

Ciśnienie wody wodociągowej może być

bardzo duże, ale jeśli wszystkie krany są

pozamykane, to przepływu wody nie ma.

Ciśnienie jest więc czynnikiem wymusza−

jącym przepływ wody, jednak samo ciś−

nienie to jeszcze nie wszystko – potrzeb−

na jest jakaś droga dla wody.

W przypadku otwartego kranu wodo−

ciągowego sprawa jest prosta – czym

większy prześwit, czyli przekrój, przez

który może płynąć woda, tym więcej wo−

dy przepływa. Możemy powiedzieć, że

Czyli twoje na wierzchu – wygląda na

to, że zawsze przyczyną przepływu wody

(prądu) jest ciśnienie (napięcie), a nie od−

wrotnie!

Niekoniecznie! Zaraz ci to wyjaśnię.

Rysunek 1 pokazuje ogromny zbiornik

wody o głębokości oznaczonej literką h.

Nie masz chyba wątpliwości, że na dnie

tego zbiornika ciśnienie wody zależy od

tej głębokości, czyli inaczej wysokości

słupa wody. Jeśli na wysokości dna zain−

stalujemy manometr, to pokaże on war−

tość tego ciśnienia. Na rysunku 1 jest

o manometr A. Zamontujemy też długą

poziomą rurkę na wysokości dna. Na jej

drugim końcu instalujemy drugi mano−

metr B i zawór (kran).

Zawór jest zamknięty.

Czy manometry A i B wskażą to samo

ciśnienie?

Tak!

Jesteś pewny?

Niewątpliwie wskazania powinny być

równe, o ile tylko rura jest pozioma i ma−

nometry zainstalowane są na tej samej

wysokości.

Rys. 1

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98

Pierwsze kroki

Zauważ: przy całkowitym otwarciu za−

woru w punkcie A występuje jakieś stałe

ciśnienie, w punkcie C ciśnienie na pew−

no jest równe zeru, w punkcie B – bardzo

bliskie zeru. Gdy kran był zakręcony i nie

występował przepływ wody (prądu), ma−

nometry A i B pokazywały takie samo ciś−

nienie. Później, gdy odkręcaliśmy stop−

niowo kran, przepływ wody wzrastał

i proporcjonalnie do wielkości tego prze−

pływu, wskazanie manometru B malało.

Możemy po prostu powiedzieć, że mię−

dzy punktami A i B pojawiło się ciśnienie

(bo różnica ciśnień to przecież ciśnienie)!

Pamiętaj, że właściwości rurki nie

zmieniały się podczas doświadczenia –

wspomniany opór rurki występował

przez cały czas. Nie dawał on jednak o so−

bie znać, gdy nie było przepływu wody.

Dał o sobie znać, gdy pojawił się prze−

pływ – zauważyliśmy różnicę ciśnień mię−

dzy końcami naszej rurki. Zauważ, że ciś−

nienie między punktami A i B zależało od

przepływu wody.

Czy zgodzisz się z wnioskiem, że przy−

czyną wystąpienia ciśnienia (różnicy ciś−

nień), był przepływ wody?

No, nareszcie w ten sposób widzisz

przyczynę i skutek: przyczyną jest prze−

pływ wody, a skutkiem – spadek ciśnie−

nia między punktami A i B.

Dokładnie tak samo jest w obwodzie

elektrycznym – przeanalizuj rysunek 2.

Woltomierz V A cały czas pokazuje takie

samo napięcie zasilające. Gdy przełącznik

S jest rozwarty, to przez rezystancję R 1

na pewno nie płynie prąd. Oczywiście

woltomierz V B ma wtedy wskazanie ta−

kie samo jak woltomierz V A ,a wolto−

mierz V D na pewno wskazuje zero.

Gdy zewrzemy wyłącznik S, to przez

rezystor R 1 popłynie prąd i wystąpi na

nim spadek napięcia o wartości (kłania

się prawo Ohma):

U = I×R 1

Woltomierz V D

Rys. 2.

wierzysz? A jak myślisz, jakie ciśnienie

mierzysz u lekarza? Jest to nic innego,

tylko różnica ciśnienia twojej krwi i ciś−

nienia atmosferycznego. (Podobnie ma−

nometry z rysunku 1 pokazują podobną

różnicę, a manometr C wskazuje zero).

A więc w wielu przypadkach można jed−

nakowo traktować różnicę ciśnień i ciś−

nienie.

Podobnie jest z napięciem.

Nawet według definicji napięcie to

różnica potencjałów.

W praktyce prawie zawsze przyjmuje−

my jakiś punkt odniesienia (ziemię czyli

grunt, jeden z biegunów baterii zasilają−

cej, albo metalową konstrukcję urządze−

nia elektronicznego), zakładając, że napię−

cie (ściślej – potencjał) wynosi tam zero

i potem wszystkie napięcia mierzymy

w stosunku do tego punktu. Punkt taki

nazywamy masą.

Jeśli potem mówimy o napięciu w da−

nym punkcie układu, to zmierzyliśmy na−

pięcie między masą a tym punktem.

A czasami mierzymy napięcie nie

w stosunku do masy, tylko na zaciskach

jakiegoś elementu, na przykład na koń−

cówkach rezystora (czyli opornika). Mó−

wimy przy tym, że mierzymy spadek na−

pięcia na tym oporniku, albo krócej napię−

cie na oporniku.

Na rysunku 2 woltomierz V B pokazu−

je napięcie w punkcie B, natomiast wol−

tomierz V D

Jednocześnie wskazanie woltomierza

V B obniży się.

Gdy zewrzemy styki przełącznika

S i będziemy zmniejszać rezystancję po−

tencjometru Rx, wtedy napięcie w punk−

cie B (V B ) będzie maleć, natomiast napię−

cie na rezystorze R1 (V D ) – rosnąć. Oczy−

wiście zawsze suma napięć wskazywa−

nych przez woltomierze V D +V B będzie

równa napięciu wskazywanemu przez

V A (to jednak nie jest w tej chwili istotne).

Przy zmniejszeniu wartości potencjo−

metru do zera (czyli przy zwarciu go), na

rezystorze R1 wystąpi pełne napięcie:

woltomierz V B wskaże zero, a wskazania

mierników V A V D będą równe.

Jaki z tego wniosek?

Wniosków można wysnuć kilka, ale ja

chciałbym, żebyś przyzwyczaił się także

do rozumienia spadku napięcia jako wyni−

ku przepływu prądu przez opór.

Może powiesz, że to zależy od punktu

widzenia. Masz rację, bo napięcie i prąd

są ze sobą wzajemnie nierozłącznie zwią−

zane (prawem Ohma), ale chodzi o to, być

nie wyobrażał sobie, że zawsze przyczyną

jest napięcie, a skutkiem – prąd. Jak wi−

dzisz, możemy to rozumieć odwrotnie

i takie rozumienie bardzo przyda się nam

przy analizie działania tranzystora.

Czy już utrwaliłeś sobie takie rozumie−

nie napięcia?

Bardzo dobrze!

Teraz jeszcze jedna drobna sprawa.

Czy we wcześniejszym przykładzie

z wodą nie patrzyłeś podejrzliwie na utoż−

samienie ciśnienia ze spadkiem ciśnie−

nia? Czy to na pewno jest to samo?

Tak! TO JEST DOKŁADNIE TO SAMO!

Przecież tak naprawdę, to ciśnienie rów−

ne zeru panuje tylko w doskonałej próżni.

My mamy do czynienia z ciśnieniem at−

mosferycznym. Jest ono wszechobecne

w naszym życiu i często właśnie ciśnie−

nie atmosferyczne traktujemy jako ciśnie−

nie odniesienia, ciśnienie zerowe. Nie

pokazuje napięcie na rezys−

torze R.

Może to, co teraz tłumaczę, jest dla

ciebie oczywiste, ale wierz mi, że nie jest

oczywiste dla dużej grupy początkują−

cych elektroników.

Domyślasz się zapewne, że rolę wy−

łącznika S i potencjometru Rx z rysun−

ku 2 będzie pełnić nasz tranzystor. Prawie

masz rację, jednak przedstawienie tran−

zystora jako sterowanej rezystancji daje

więcej szkody niż pożytku, dlatego rysu−

nek 3 jest przekreślony, a my koniecz−

nie musimy poszukać lepszego modelu.

pokaże wartość tego

napięcia.

Rys. 3.

Żeby zrozumieć działanie tranzystora mu−

sisz koniecznie zrozumieć pojęcie źródła

prądowego.

Zajmiemy się tym za miesiąc.

Piotr Górecki

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: