Bipolární tranzistory jsou polovodičové součástky tvořené třemi polovodiči se dvěma přechody PN poskládané ve struktuře NPN nebo PNP. Pracují s oběma typy majoritních nosičů - s elektrony i s děrami - proto bipolární.

Vývody se označují jako Kolektor (Collector), Báze a Emitor.

Bázová vrstva je velmi tenká, emitorová vrstva má vyšší koncentraci příměsí než kolektorová.

Tranzistory slouží k zesilování, regulaci, nebo ke spínání.

Značky tranzistorů

Značky bez kružnic jsou určeny pro schemata vnitřních zapojení integrovaných obvodů.

Kontrolu funkčnosti tranzistoru lze provést měřičem diod, otestováním obou přechodů - tranzistor se tváří jako dvě sériově zapojené diody.

Princip činnosti tranzistoru NPN (tranzistorový jev)

Bez vnějších zdrojů se na obou přechodech vytvoří vyprázdněné oblasti.

Na kolektorový přechod B-C připojíme napětí v závěrném směru, čímž se zvětší vyprázdněná oblast na tomto přechodu, obvodem protéká jen nepatrný zbytkový proud tvořený vlastní vodivostí teplem uvolněných nosičů.

Na emitorový přechod B-E připojíme napětí v propustném směru s vyšší hodnotou než je difuzní napětí. Volné elektrony proudí z emitoru otevřeným přechodem do báze, odkud jsou odsávány do prostoru kolektoru a tvoří kolektorový proud, protože pro ně je tento přechod (na rozdíl od děr v bázi) otevřen. Jen malé množství těchto elektronů rekombinuje s děrami v bázi a tvoří bázový proud.

U tranzistoru PNP je funkce obdobná, jen se obrátí smysl napětí a do kolektoru jsou z báze místo elektronů odsávány díry, které do ní pronikají z emitoru otevřeným přechodem.

Tranzistorový jev

Malým bázovým proudem I_B procházejícím otevřeným přechodem báze-emitor se spustí několikanásobně větší kolektorový proud I_C procházející celou strukturou kolektor-báze-emitor.

Velikostí bázového proudu lze plynule regulovat velikost kolektorového proudu, nebo-li odpor mezi kolektorem a emitorem.

V I D E O

Vysvětlení principu činnosti tranzistoru a tranzistorového jevu

Použití tranzistoru

Změnami velmi malého bázového proudu lze regulovat mnohonásobně větší kolektorový proud a použít tak tranzistor jako zesilovač nebo regulátor. Zapínáním a vypínáním malého proudu v bázi lze zapínat a vypínat mnohonásobně větší proud v kolektoru a použít tak tranzistor jako rychlý výkonový spínač.

Zjednodušeně můžeme říct, že tranzistor se mezi kolektorem a emitorem chová jako proměnný rezistor, jehož hodnota se dá regulovat proudem báze.

Simulace obvodu z tranzistorem jako děličem napětí

Tranzistor jako spínač

Pokud je spínač do báze rozepnut, tranzistor je zavřený a žárovkou neprotéká proud. Pokud sepneme spínač, malý bázový proud způsobí otevření přechodu kolektor-báze a žárovka se rozsvítí velkým kolektorovým proudem. Rezistor R_B omezuje bázový proud, aby nedošlo ke zničení přechodu báze-emitor překročením jeho maximálního proudu.

V sepnutém stavu je napětí mezi kolektorem a emitorem U_CESAT jen několik desetin voltu - říkáme, že tranzistor je v saturaci. Tím jsou minimalizovány tepelné ztráty tranzistoru.
Pro spolehlivé zajištění tohoto stavu se při výpočtu bázového odporu volí 2x až 3x větší proud bází, než podle proudového zesilovacího činitele.

Simulace obvodu s tranzistorem jako spínačem

V I D E O	Popis zapojení tranzistoru jako spínače, vysvětlení funkce a změření proudů	Ukázka funkce modernějšího spínacího tranzistoru MOS-FET
	Příklad 1. Výpočet zapojení tranzistoru jako spínače podle katalogových údajů	Příklad 1. Praktické zapojení a kontrolní měření tranzistorového spínače dle provedeného výpočtu
	Příklad 2. Výpočet zapojení tranzistoru jako spínače podle katalogových údajů	Příklad 2. Praktické zapojení a kontrolní měření tranzistorového spínače dle provedeného výpočtu

Tranzistor jako regulátor

Potenciometrem v bázi můžeme velikostí bázového proudu plynule regulovat odpor přechodu kolektor-báze neboli velikost kolektorového proudu a tak měnit jas žárovky. Rezistor R_B opět omezuje maximální proud bází.

V režimu regulace dochází k velkým tepelným ztrátám na odporu přechodu kolektor-báze, výkonový tranzistor se musí chladit.

Kolektorový ztrátový výkon se počítá ze vztahu:

Simulace obvodu s tranzistorem jako regulátorem

V případě potřeby regulace od nulového proudu zátěží lze použít tuto variantu řízení bázového proudu...

Simulace obvodu s tranzistorem jako regulátorem od nuly

V I D E O	Popis zapojení tranzistoru jako regulátoru, vysvětlení funkce a změření všech napětí na tranzistoru	Podrobný popis regulátoru jako proměnného děliče napětí včetně měření děleného napětí
	Ukázka praktických aplikací regulace výkonu, porovnání lineárního a spínaného režimu	Vysvětlení problematiky spínání indukční zátěže a popis rekuperační diody

Tranzistor jako zesilovač

Kondenzátory na vstupu a výstupu oddělují stejnosměrné složky a propouští pouze střídavé signály.
Pomocí rezistorů R₁, R₂ a R₃ se nastavuje tzv. pracovní bod tranzistoru (klidový proud kolektorem při nulovém vstupním signálu). Rezistor R₄ stabilizuje nastavení pracovního bodu vůči teplotním změnám.

Malé změny bázového proudu vyvolávají velké změny kolektorového proudu a tím tranzistor zesiluje vstupní signál.

Simulace obvodu s tranzistorem jako zesilovačem

Darlingtonův tranzistor

Tranzistory určené pro velké výkony mají malý zesilovací činitel (cca 10). Pro případy potřeby velkého zesilovacího činitele se vyrábí dvojitý tranzistor v jednom pouzdře nazývaný Darlingtonův. První, méně výkonný tranzistor se zesílením cca 100 budí druhý výkonový tranzistor se zesílením cca 10. Výsledný zesilovací činitel je dán přibližně vynásobením zesilovacích činitelů obou tranzistorů (cca 1000).

Simulace obvodu s Darlingtonovým tranzistorem jako regulátorem

Charakteristiky tranzistoru

Přenosová charakteristika tranzistoru

Přenosová charakteristika zobrazuje závislost kolektorového proudu I_C na bázovém proudu I_B a je téměř lineární.

Simulace obvodu zobrazujícího přenosovou charakteristiku tranzistoru

Vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru

Vstupní charakteristika je prakticky stejná jako u diody v propustném směru.

Ve výstupní charakteristice lze vidět, že pro daný bázový proud při rostoucím napětí mezi kolektorem a emitorem kolektorový proud tranzistoru prudce roste až do stavu saturace, pak se už téměř nemění. Tranzistor se chová jako ideální zdroj proudu.

Simulace obvodu zobrazujícího vstupní charakteristiku tranzistoru

Simulace obvodu zobrazujícího výstupní charakteristiky tranzistoru

Simulace obvodu demonstrujícího ideální zdroj proudu

Simulace obvodu demonstrujícího vylepšený ideální zdroj napětí

Mezní hodnoty tranzistorů

Pro běžnou práci tranzistoru je třeba dodržovat výrobcem udané maximální hodnoty, aby nedošlo ke zničení jednotlivých přechodů vysokým napětím, vysokým proudem nebo vysokým ztrátovým výkonem. Jedná se především o P_Cmax, U_CEmax, I_Cmax, I_Bmax.

Při zahřívání tranzistoru se s rostoucí teplotou uvolňují další volné nosiče a zvyšuje se kolektorový proud nezávisle na bázovém proudu. To se řeší teplotní stabilizací.

Podobně jako u diod se u vyšších frekvencí zpracovávaných signálů projevují parazitní jevy přechodů, proto se vyrábějí i speciální vysokofrekvenční tranzistory.

Pro řízení velkých proudů se vyrábí výkonové tranzistory ve velkých kovových pouzdrech, které se montují na pasivní chladiče.

Tranzistor BC547C Ic = 0,1 A Uce0 = 45 V Ucb0 = 50 V Pc = 0,625 W h21E = 420-800 fT = 300 MHz

Tranzistor 2N2219A Ic = 0,8 A Uce0 = 40 V Ucb0 = 75 V Pc = 3 W h21E = 50-300 fT = 300 MHz

Výkonový tranzistor 2N6488 Ic = 15 A Uce0 = 80 V Ucb0 = 90 V Pc = 75 W h21E = 20-150 fT = 5 MHz

Výkonový tranzistor BDY92 Ic = 10 A Uce0 = 60 V Ucb0 = 80 V Pc = 60 W h21E = 20-120 fT = 70 MHz

Výkonový spínací tranzistor C4977 Ic = 7 A Uce0 = 400 V Ucb0 = 450 V Pc = 40 W h21E = 10

Darlingtonův výkonový spínací tranzistor TIP122 Ic = 5 A Uce0 = 100 V Ucb0 = 100 V Pc = 65 W h21E = 1000

Naměřené charakteristiky skutečných tranzistorů

U bázového proudu Ib=15mA se už projevilo značné ohřívání tranzistoru bez chladiče, kolektorový proud Ic při vyšších hodnotách Uce rychle narůstá.

Varianty zapojení tranzistoru

Protože tranzistor má tři vývody, lze ho z hlediska vstupu a výstupu do obvodu zapojovat obecně třemi způsoby.
Názvy zapojení vychází z principiálního zapojení ve kterém je jeden z vývodů použit společně jak pro vstup, tak i pro výstup.

Zapojení se společným emitorem SE

Principiální zapojení

Ze zdroje U_BE (s hodnotou větší jak difuzní napětí) teče bázový proud I_B otevřeným přechodem B-E. Zdroj U_CE protlačuje přes oba přechody C-B-E kolektorový proud I_C, který je mnohonásobně větší, než bázový proud.

Praktické zapojení

Je to nejčastěji používané zapojení, které má největší výkonové zesílení (desetitisíce). V katalogu se pro toto zapojení udává proudový zesilovací činitel h_21E (běžné hodnoty 10-500, v anglických materiálech označovaný jako h_FE), který určuje poměr kolektorového a bázového proudu:

Napěťové zesílení se pohybuje ve stovkách, ale zapojení otáčí fázi napětí (když vstupní napětí roste, výstupní klesá). Proudové zesílení je rovněž velké (ve stovkách), výstupní proud je ve fázi se vstupním.
Vstupní odpor je malý až střední (stovky Ω až jednotky kΩ), výstupní odpor je velký (desítky kΩ).
Zapojení se používá na běžné zesilovací stupně nebo jako spínač/regulátor.

Zapojení se společnou bází SB

Principiální zapojení

Praktické zapojení
Napěťové zesílení je velké (jako u zapojení SE), výstupní signál je ale ve fázi se vstupním. Proudové zesílení je vždy menší než jedna. Vstupní odpor je velmi malý (desítky Ω), výstupní odpor je velmi velký (stovky kΩ až jednotky MΩ).
Zapojení se používá k snímání signálů zdrojů s malým vnitřním odporem (antény, termočlánky).

Simulace obvodu s tranzistorem v zapojení SB

Zapojení se společným kolektorem SC

Principiální zapojení

Praktické zapojení
Napěťové zesílení je vždy menší než jedna, výstupní napětí je ve fázi s napětím vstupním. Proudové zesílení je velké, výstupní proud je v protifázi oproti vstupnímu. Vstupní odpor je velmi velký (stovky kΩ až jednotky MΩ), výstupní odpor je malý (stovky Ω).
Zapojení se používá buď k snímání signálu ze zdrojů s velkým vnitřním odporem (např. krystalové přenosky) nebo k přizpůsobení výstupu zesilovače na malý zatěžovací odpor (např. na koaxiální kabel nebo reproduktor).

Simulace obvodu s tranzistorem v zapojení SC

Přehled vlastností jednotlivých zapojení