Tranzistor: definicija, vrste, delovanje, MOSFET in uporaba v elektroniki

Tranzistor je elektronska komponenta, ki se uporablja kot del ojačevalnika ali kot stikalo. Izdelan je iz polprevodniškega materiala (najpogosteje silicija) in je temelj moderne elektronike. Tranzistorje najdemo v večini elektronskih naprav, od najmanjših senzorjev do kompleksnih računalniških sistemov. Kot naslednik triodne cevi je tranzistor bistveno zmanjšal porabo energije, povečal zanesljivost in omogočil miniaturizacijo elektronike.

Osnovne vrste tranzistorjev

Obstajata dve široki skupini tranzistorjev, vsaka z več podvrstami:

• BJT (Bipolar Junction Transistor) – bipolarni tranzistor (NPN ali PNP). Delovanje temelji na toku skozi bazo, ki nadzoruje tok med emitorjem in kolektorjem.
• FET (Field-Effect Transistor) – enopolni tranzistor, kjer napetost na vhodu (vrata) uravnava prevodnost kanala. Najpogostejši tip FET je tranzistor MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor FET). Obstajajo tudi JFET in MESFET.

Kako deluje tranzistor (poenostavljeno)

BJT: Sestavljen je iz treh plasti polprevodnika (emitor, baza, kolektor). Pri NPN tranzistorju majhen vhodni tok na bazo omogoči večji tok od emitorja do kolektorja – to daje ojačanje toka. Ključni parametri so ojačanje toka (β ali hFE) in maksimalna napetost/moč, ki jo lahko prenese.

MOSFET: Vrata sta ločena od kanala z tanko izolacijsko plastjo (oksid). Z uporabo napetosti na vratih se v podlagi ustvari prevodni kanal med odvodom (drain) in virom (source). MOSFET-i so zelo primerni za digitalna stikala in visokonapetostne oziroma visokoefikasne močovne aplikacije, saj imajo zelo majhen vhodni tok. Pri MOSFET-ih so pomembne karakteristike pragovna napetost (Vth) in upornost v stanju vključenosti Rds(on).

MOSFET – podrobneje

Tranzistorji MOSFET so razdeljeni na:

• Enhancement mode (povečanje prevodnosti) – brez napetosti na vratih kanal ni prevoden; z ustrezno napetostjo nastane kanal.
• Depletion mode (zmanjšanje prevodnosti) – kanal je privzeto prevoden in ga napetost lahko zapre.

Poleg tega ločimo n-kanal in p-kanal MOSFET-e. n-kanal ponavadi ponuja boljše tokovne in odpornostne lastnosti pri enaki geometriji. MOSFET-i se pogosto uporabljajo v logičnih vezjih, v napajalnikih, pretvornikih in kot stikala v močnostni elektroniki.

Uporaba tranzistorjev

• Ojačevalniki v avdio napravah, radijskih sprejemnikih in merilnih instrumentih.
• Digitalna stikala v logičnih vratih in mikroprocesorjih.
• Močnostni tranzistorji za regulacijo motorjev, pretvornike in napajalnike (pogosto v posebnih ohišjih za odvajanje toplote).
• Senzorji, gonilniki LED in druge aplikacije v potrošniški elektroniki in industriji.
• Večina diskretnih tranzistorjev se vgrajuje posamezno, ker morajo prenesti večjo moč, medtem ko so manjši signalni tranzistorji in milijarde naprav integrirani v integrirana vezja.

Tehnične značilnosti in oblikovanje vezij

Pri izbiri tranzistorja je treba upoštevati več parametrov:

• Največji tok in napetost (IC, VCE ali VDS)
• Ojačanje toka (β/hFE) za BJT in pragovna napetost (Vth) ter Rds(on) za MOSFET
• Hitrost stikala (preklopni časi) in izgube pri preklopu
• Toplotna upornost, dimenzije ohišja in način hlajenja
• Varovalni parametri kot so Safe Operating Area (SOA) pri močnostnih aplikacijah

Pakiranje, hlajenje in zanesljivost

Nekateri tranzistorji so posamično pakirani, predvsem zato, da lahko prenesejo veliko moč in jih je mogoče učinkovito hladiti z radiatorji. Pri načrtovanju je pomembno zagotavljanje ustreznega odvajanja toplote, zaščite pred prekomerno napetostjo in pravilne prednapetostne (bias) sheme za stabilno delovanje. Napačna uporaba ali preobremenitev lahko vodi v izpust toplotne energije, termično pregrevanje in trajne poškodbe.

Zaključek

Tranzistor je vsestranska in ključna sestavina sodobne elektronike. Poznavanje osnovnih vrst, načina delovanja in glavnih značilnosti omogoča pravilno izbiro in uporabo pri načrtovanju analognih in digitalnih vezij. Za konkretne aplikacije je pogosto treba prebrati podatkovne liste proizvajalcev in upoštevati toplotne ter električne omejitve.

Kako delujejo

Tranzistorji imajo tri sponke: vrata, odvod in izvor (pri bipolarnem tranzistorju se žice imenujejo emitor, kolektor in baza). Če je izvor (ali emitor) priključen na negativno sponko baterije, odvod (ali kolektor) pa na pozitivno sponko, v tokokrog ne bo tekla elektrika (če imate v seriji s tranzistorjem samo svetilko). Če pa se dotaknete vrat in odvodnika skupaj, bo tranzistor prepuščal elektriko. To je zato, ker so vrata pozitivno nabita, pozitivni elektroni potisnejo druge pozitivne elektrone v tranzistorju in prepuščajo negativne elektrone. Tranzistor lahko deluje tudi, kadar so vrata samo pozitivno nabita, zato se ni treba dotikati odvodnika.

Vizualizacija

Delovanje tranzistorja si lahko preprosto predstavljamo kot cev z ostrim zavojem, ki zaustavlja pretok vode. Voda so elektroni, in ko pozitivno napolnite vrata, se cev odvije in voda lahko teče.

Osnovno vezje Darlingtonovega tranzistorja je sestavljeno iz dveh bipolarnih tranzistorjev, ki sta povezana emitor z bazo, tako da delujeta kot en tranzistor. Eden od tranzistorjev je priključen tako, da nadzoruje tok v bazo drugega tranzistorja. To pomeni, da lahko z zelo majhno količino toka v bazo nadzorujete enako količino toka.

Ko je osrednji zatič napajan, lahko teče elektrika.


Simbol vezja Darlingtonovega tranzistorja. "B" pomeni bazo, "C" pomeni kolektor, "E" pa emitor.

Išči po črki