Cs.Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 106. A szendvics

A szendvicsnek alapvetően két fajtája van: az egyik esetben két nő között fekszik egy férfi, a másik esetben két férfi között egy nő. Rád bízom, hogy a félvezető trióda, a tranzisztor esetében melyik változat hajaz az npn és melyik a pnp szerkezetűre.

sv02

A szilícium jobban szereti az npn felállást, de persze ez a tranzisztor sem úgy készül, hogy három réteget összeragasztottak, hanem úgy, hogy a megfelelő helyeken nagyon pontosan adalékolják az öt, illetve a három vegyértékű anyagokat.

sv03

A tranzisztor működése ugyan nem olyan egyszerű, mint amilyen az iménti rettenet volt, de első nekifutásra képzelj el egy vízcsapot! Ha a csap el van zárva, a víz nem folyik át a csövön. A csap finom nyitásával, tehát kicsi erővel az átfolyó víz mennyisége könnyen szabályozható. Ha teljesen kinyitod a csapot, a víz ömlik, mint állat.

sv04

Ha kicsit bonyolultabbá tesszük a szerkezetet, akkor egy vastag cső útjába beteszünk egy szelepet.

Az áram megfelel a víz áramlási sebességének, a feszültség a nyomás, ami a vízre nehezedő erőt adja, a cső szélessége pedig az ellenállás.

A szelep olyan széles, hogy el tudja zárni a vizet. A szelephez egy kis tartály csatlakozik. Ha a tartály üres, a szelep zárva marad. Még akkor sem engedi át vizet a szelep, ha a kis tartályban kevés a víz, mert az ezzel kiváltható nyomás nem elég nagy ahhoz, hogy elmozdítsa a szelepet. De ha több vizet öntünk a kis tartályba, a szelep felemelkedik a tartályban levő vízzel arányosan, és több vagy kevesebb vizet enged át. Kevés víz növelésével vagy csökkentésével sok víz növekedését vagy csökkenését szabályozhatjuk.

sv05


A tranzisztor esetében a bázis nevű rétegébe juttatott áram kicsi változtatásával a kollektor és az emitter között folyó áram erősségének nagy változásait szabályozhatjuk: a tranzisztor erősít.

Ha csak a két szélső állapotot lehet, vagyis vagy teljesen nyitott vagy teljesen zárt, akkor a tranzisztor vezérelt kapcsolóként működik.

sv06

Noha elvileg az emitter és a kollektor felcserélhető, a tranzisztor rétegeinek elrendezése és gyártástechnológiája miatt ugyan működik fordítva is a cucc, csak eléggé katasztrofálisan.

sv07

A bázis jóval keskenyebb, mint a másik két réteg. A kollektor onnan kapta a nevét, hogy ő a gyűjtő réteg, összegyűjti a tranzisztor számára az áramot Az emitter meg a kibocsátó, a bázis a vezérlő. Az elnevezések egyébként csak megzavarják az elmét.


Egy „pn” átmeneten 0,6V feszültség van. A bázisra kapcsolt 0,6V feszültségnél kezd a tranzisztor nyitni. A teljesen nyitott állapotú tranzisztorban a kollektor és emitter között két átmenet van, ezért rajtuk 2*0,6V=1,2V feszültség lesz. Ezt a feszültséget nevezzük maradékfeszültségnek.

Biztosan láttál már ilyen Kresz-táblát egyes utcák elején és végén:

sv08

Ez a mindkét irányból behajtani tilos. Alapállapotban a tranzisztor is ilyen „utca”. A tranzisztor felfogható két, ellentétesen sorba kapcsolt diódának.

sv09

Bármilyen feszültséget is kapcsolsz az emitter és a bázis közé, nem fog áram folyni, mert amitől az egyik dióda kinyitna, attól a másik elzár. Mintha két ellentétesen működő vízcsapot tekergetnél egyszerre. Egy npn tranzisztor esetében az emitterhez kapcsoljuk a negatív, a kollektorhoz a pozitív pólust! Az első átmenet áteresztené az áramot, mert a dióda kinyitott, de a második nem, mert az a dióda lezárt.

sv10

Ha megfordítjuk a feszültségeket, ugyanez történik, csak a másik irányból.

sv11

A tranzisztorban két potenciálgát, két kiürített réteg van a két átmenetnél.

sv12

Ahogy a közlekedési szabályokat is sokan megsértik, tehát akadnak elvetemültek (nem te, áááá, dehogy), akik a behajtani tilos tábla ellenére berongyolnak az utcába, úgy akadnak olyan elektronok is, amelyek a hőmozgás következtében utat vágnak maguknak a „pn” átmenet potenciálgátján.


Ez a kezdeti áram nagyon kicsi, és nem függ a feszültségtől. Mindazok a szabad elektronok, amelyek egy adott hőmérsékleten átjuthatnak a potenciálgáton, ezt az áramot határozzák meg. Ennél több ez az áram nem lehet. Ha a hőmérséklet nő, ez az áram is nő, s egy idő után melegíteni kezdi a tranzisztort, tehát az áram tovább nő, még jobban melegíti a tranzisztort… Végül az alkatrész „megszalad”, elfüstöl.

De tegyük föl, hogy nem égett le a cucc, és kapcsoljunk áteresztő irányban egy kisebb feszültséget – Ueb – az emitter és a bázis közé! Vagyis az emittert a bázishoz képest negatív feszültségre kötjük.

sv13

Megindul az áram az emitter és bázis közötti átmeneten keresztül. Ez az áram szabad elektronokat visz be az „n” típusú emitterből a „p” típusú bázisba. mivel a bázis vékony, kevés elektron elég már ahhoz, hogy a „p” rétegben jelen levő lyukak „betömődjenek”, rekombinálódjanak, létrehozva az Ib jelű bázisáramot.

A bázisba behatoló elektronok nagy részét hajtja a saját mozgásuk, így azok tovább vándorolnak a kollektorba. Onnan az emitter és a kollektor közötti Uek feszültségforrás pozitív potenciálja magához vonzza őket.

S most fontos dolog történt.

Ezek az elektronok keresztül jutottak a második potenciálgáton is. Végül a kollektorból a kollektor és az emitter közötti Uek feszültségforráson keresztül visszakerülnek az emitterbe.

Tehát csak egy kis feszültséget kell kapcsolni a bázis és az emitter közé, és az elektronok keresztüljutnak azon a „pn” átmeneten, ami egyébként elzárná az útjukat. Ennek a második átmeneten záróirányban meginduló áramnak a létrehozása, előidézése a tranzisztorhatás.

Na, még egyszer: az emitter bizonyos számú elektront bocsátott ki magából, és ezeknek egy kis része az Ueb feszültségforráson keresztül vissza is tért az emitterbe, hiszen a feszültségforrás belső ellenállása nagyon kicsi. Ebből a szempontból olyan, mint egy drót.

A visszatérő elektronok a keskeny bázisban megtett rövid útjuk során lyukakkal taliztak, és rekombinálódtak velük. Az elektronok többsége viszont továbbfolytatta útját a második átmeneten, és miután bejutottak a kollektorba, az Uek feszültségforráson keresztül – ami ellenállás szempontjából ismét olyan, mint egy drót – visszaérkeztek az emitterbe.

Az Ib bázisáram kis jeleken használt tranzisztorok esetén 50 - 200 µA, az Ik kollektoráram 2 - 10 mA. A tranzisztor tehát azért tud erősíteni, mert a kollektoráram nagy változásait kis bázisáram változtatással el lehet érni.

Nem állítom, hogy egyből megvilágosultál, de az alábbi klip elég jól szemlélteti az eddigieket.

Így is szokták ábrázolni a tranzisztor működését:

sv14

A leggyakrabban az úgynevezett közös emitteres kapcsolást használják, amelynek bemenete a bázis és az emitter, a kimenete a kollektor és az emitter között van. Az ellenállással a tranzisztor lineáris működési tartományát, munkapontját állítják be. Így nincs szükség két külön feszültségforrásra.

sv15

Ez az elrendezés fázist fordít. Bemenő ellenállása nem túl nagy, erősítése általában néhányszor tízszeres.

Ha nagyobbat akarnak erősíteni, akkor a közös bázisú kapcsolást használják.

sv16

Ez a kapcsolás nem fordít fázist, de bemenő ellenállása olyan kicsi, hogy ritkán alkalmazzák.

Ha az a feladat, hogy a bemenő ellenállás nagy legyen, a kimenő meg kicsi, vagyis impedancia váltóra van szükség, akkor jön szóba a közös kollektorú áramkör.

sv17

Ez sem fordít fázist, az erősítése valamivel kisebb 1-nél.

Néhány tranzisztoros áramkörrel jót lehet játszani.

http://www.falstad.com/circuit/

A „Circuits”legördülő menüből válasszad ki a „transistors”, majd például az „NPN” menüt!

sv18

 

sv19

Az egyes értékek fölé vidd az egeret, így megváltoztatod azok értékét vagy tartományát.

sv20

 

sv21

A „Draw” menü segítségével pedig újabb alkatrészeket tehetsz az áramkörbe.

sv22