Elektronika nie jest trudna

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Elektronika nie jest trudna

ĆWICZENIE 6

TINKERCAD Symulator Arduino z opcją debugowania kodu

Tranzystory

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

CEL ĆWICZENIA:

Uczniowie zapoznają się z opisem oraz zasadą działania tranzystorów. Uczniowie poznają praktyczne zastosowanie tranzystorów.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1)

Tranzystor – czym jest tranzystor?

W poprzednich lekcjach dowiedzieliście się, że rezystor ogranicza prąd, kondensator gromadzi ładunek, a dioda świeci.

Rezystor Kondensator Dioda

To już jest dla Was oczywiste  Czym jednak zajmuje się tranzystor?

Tranzystor

– jest bardzo popularnym elementem, jednak zwięzłe opisanie zadania, które wykonuje, już takie łatwe nie jest…

Jedno jest pewne: tranzystory zrewolucjonizowały dzisiejszą elektronikę!

Można spotkać się z tłumaczeniami, że tranzystor steruje przepływem prądu lub wzmacnia go. Oczywiście stwierdzenia te są poprawne. Może jednak bardziej do Ciebie przemówi stwierdzenie, że tranzystor to taki elektroniczny przełącznik. Dzięki niemu możemy w bezpieczny sposób (małym prądem) włączyć przepływ większego prądu.

Wyobraź sobie jakieś delikatne urządzenie elektroniczne, które można zaprogramować i stworzyć dzięki niemu niezwykle ciekawe projekty. Nie może ono jednak sterować przepływem dużego prądu. Do wyprowadzenia układu można podłączyć diody LED, które

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

pobierają mały prąd, i wszystko będzie działało, ale jeśli podłączymy tam np. silnik, to pobierze on tak duży prąd, że cały układ się spali.

W takich chwilach z pomocą przychodzi nam tranzystor.

Tranzystor

Dzięki niemu z naszego delikatnego układu pobierzemy tylko mały prąd, który „powie”

tranzystorowi, że ma się „włączyć” i wziąć na siebie duży prąd, niezbędny do zasilania potężnego urządzenia podłączonego np. do Arduino (niedługo poznasz czym jest Arduino ).

 Podstawowe informacje o tranzystorach

Tranzystory to elementy półprzewodnikowe mające, na ogół, trzy wyprowadzenia.

Obudowy są różne, zależnie od parametrów i przeznaczenia elementów. Jeden tranzystor może występować w wielu różnych obudowach, a w każdej obudowie można kupić wiele różnych układów. Trzeba pamiętać, aby podczas zakupów sprawdzać oba parametry – mowa tu o symbolu tranzystora (np. BC546B) oraz o symbolu obudowy (np. TO92).

Dokładne omówienie budowy tranzystora wykracza daleko poza zakres kursu podstaw elektroniki. Wiedza ta jednak nie jest niezbędna do wykorzystywania ich w praktyce.

Poniższe opisy potraktuj jako ciekawostki, do których będziesz mógł powrócić jeszcze raz, gdy poznasz tranzystory w praktyce.

Tranzystory bipolarne składają się z trzech warstw półprzewodnika, a do każdej z nich dołączone jest jedno wyprowadzenie. Warstwy te ułożone są jedna na drugiej, tworząc układ dwóch tzw. złącz. Nazwą tą określamy miejsce styku półprzewodników typu „n” oraz „p”.

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Ułożenie półprzewodników w tranzystorach

W tranzystorach bipolarnych wszystkie trzy wyprowadzenia mają swoje nazwy:



emiter

– (oznaczany na schematach jako E)



baza

– (oznaczana jako B)



kolektor

– (oznaczany jako C lub K)

Jeżeli do bazy (B) przyłożymy nieduże napięcie (względem emitera (E)), to elektrony z emitera zaczną się przemieszczać w jej kierunku. Obszar bazy jest jednak bardzo cienki, więc duża część elektronów przy okazji przeleci do obszaru kolektora (C).

Gdyby ten mechanizm był idealny, baza nie wyłapywałaby żadnych elektronów i nie płynąłby przez nią żaden prąd. Niestety, część elektronów zostaje uwięziona w obszarze bazy, skąd muszą zostać zabrane. Powoduje to, że przez bazę płynie niewielki niepożądany prąd. Użyteczny jest natomiast prąd kolektora, do którego dociera zdecydowana większość elektronów z emitera.

TRUDNE? Nie przejmuj się – nie musisz jeszcze wszystkiego

rozumieć!

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

 Podział tranzystorów bipolarnych

Istnieją dwa typy tranzystorów bipolarnych: NPN i PNP. Tak jak już wspomniano – jest to dla nas informacja o tym, jakich typów półprzewodników użyto do budowy poszczególnych obszarów. Różne wykorzystanie półprzewodników powoduje, że tranzystory te „działają odwrotnie”.

W praktyce i w dużym uproszczeniu dla początkujących:

 typ

NPN

zacznie przewodzić, gdy do bazy przyłożymy napięcie dodatnie względem emitera, czyli przy standardowym podłączeniu na bazę podamy wysoki potencjał (plus z baterii),

 typ

PNP

zacznie przewodzić, gdy do bazy przyłożymy napięcie ujemne względem emitera, czyli przy standardowym podłączeniu na bazę podamy niski potencjał (masę, minus z baterii).

Wszystko to stanie się jasne po wykonaniu ćwiczenia praktycznego. Zanim do niego przejdziemy, warto jeszcze wspomnieć, że każdy z typów tranzystorów ma inny symbol na schematach. W tranzystorach NPN strzałka na emiterze skierowana jest na zewnątrz układu, natomiast w przypadku PNP kieruje ona do wewnątrz symbolu. Strzałka ta wskazuje kierunek, w którym prąd płynie między emiterem i bazą.

Symbole tranzystorów NPN i PNP

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

 Tranzystory w praktyce

1.

Zacznijmy od zbudowania układu, który wykorzystuje tranzystor w roli klucza sterującego świeceniem diody. Czyli sterując prądem bazy, będziemy mogli włączać i wyłączać diodę podłączoną do tranzystora.

Do ułożenia układu potrzebne Ci będą następujące elementy:

 Tranzystor NPN

 Rezystory 1𝑘Ω i 10𝑘Ω

 Dioda świecąca

 Bateria 9V

 Płytka stykowa

 Miernik uniwersalny (multimetr) Zbuduj obwód wg poniższego schematu:

Jeśli jeszcze takie schematy są dla Ciebie skomplikowane, możesz skorzystać z poniższego:

Zielone elementy można chwilowo pominąć – to amperomierz i woltomierz.

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Opis wyprowadzeń tranzystora warto sprawdzić w jego dokumentacji. Można też wspomóc się poniższą grafiką, trzeba tylko pamiętać, że zawsze dla nowych elementów lepiej sprawdzić opis wyprowadzeń w nocie katalogowej (nie zawsze wszystkie wyprowadzenia muszą być ułożone w tej samej kolejności):

Opis wyprowadzeń tranzystora BC546 (po lewej widok od dołu, czyli od strony nóżek)

Układ ten można na płytce stykowej złożyć np. w taki sposób:

Schemat montażowy układu z tranzystorem

W praktyce układ ten może wyglądać tak jak poniżej. Efektem tego połączenia jest świecenie diody, czyli niby nic nadzwyczajnego, prawda? Jednak sprawdźmy, co dokładnie dzieje się w układzie.

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Podłączenie tranzystora w praktyce Podłączenie tranzystora w praktyce

Po podłączeniu baterii dioda zaczyna świecić. To dlatego, że przez bazę płynie prąd (ograniczany rezystorem 10𝑘Ω). Umożliwia to przepływ prądu przez kolektor w szereg, z którym włączona jest dioda. Rezystor (1𝑘Ω) ogranicza prąd płynący przez tę diodę, aby nie uległa uszkodzeniu. Jeśli przewód idący z dodatniej szyny zasilania do bazy zostanie odłączony, to dioda przestanie świecić.

Jeśli już się upewniliście, że układ działa poprawnie (dioda świeci), to można wykonać na nim kilka pomiarów.

 Zmierzmy na początek napięcia, które zaznaczone zostały na schemacie.

Mowa o napięciu między bazą a emiterem (tzw. baza–emiter) oraz między kolektorem a emiterem (tzn. kolektor–emiter). Przykładowy pomiar w 𝑚𝑉:

Pomiar napięcia baza – emiter Pomiar napięcia kolektor - emiter

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17



Teraz pora na ciekawszy pomiar, czyli pomiar prądu. Pamiętaj o przestawieniu miernika i zbadaj prąd bazy (wpinając miernik szeregowo z rezystorem 10𝑘Ω) oraz prąd kolektora (wpinając miernik szeregowo z rezystorem 1𝑘Ω).

Pomiar prądu bazy Pomiar prądu kolektora

Wyniki pomiarów warto zebrać w tabeli – w naszym przypadku wyglądało to następująco:

Co się stanie w naszym przykładzie, kiedy odłączymy rezystor 10𝑘Ω od bazy (albo podłączysz go do minusa baterii)?

Dioda zgaśnie, ponieważ przez bazę przestaje płynąć prąd.

Tranzystor działa tutaj jak włącznik: załączając przepływ prądu bazy o niewielkim natężeniu, jesteśmy w stanie załączyć przepływ większego prądu przez kolektor. Z kolei po odłączeniu prądu bazy niemal natychmiast zanika również prąd kolektora.

Kiedy przez kolektor płynie prąd, to o tranzystorze mówi się, że jest otwarty. Wtedy napięcie na jego bazie jest o około 0,7 V większe niż na emiterze. Z kolei aby zamknąć tranzystor (czyli uniemożliwić przepływ prądu kolektora), należy napięcie baza–emiter zmniejszyć (najlepiej do zera).

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

2. Tranzystor jako wzmacniacz prądu

Jeśli jeszcze do końca nie jesteście przekonani jaka jest rola tranzystora, to zmontujcie następujący układ:

Przyjmij na początek rezystancję Rx=1kΩ.

Układ analogiczny:

Po uruchomieniu symulacji przyjrzyj się jasności obu diod. Co zaobserwowaliście?

Sprawdź następnie jasność obu diod, stosując Rx o wartości:

a) 10𝑘Ω

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

b) 100𝑘Ω c) 1𝑀Ω d) 10𝑀Ω

Powiedz nam o swoich wnioskach.

A co się dzieje, gdy nie ma rezystora Rx? Przy jakiej wartości Rx nie dostrzegasz już świecenia diody D1? A przy jakiej wartości R_x przestaje świecić dioda D2?

Mamy nadzieję, że przekonaliście się, że tranzystor wzmacnia prąd (prąd bazy) płynący przez Rx i diodę D1. Przy dużych wartościach Rx przez diodę D2 płynie prąd (prąd kolektora) co najmniej 100-krotnie większy niż przez R_x i D1.

 Wykorzystywanie tranzystorów NPN i PNP

Teraz pora na wyjaśnienie praktycznych różnic między tranzystorem NPN a PNP.

Niezależnie od typu tranzystora, który wykorzystujemy w celu umożliwienia przepływu dużego prądu (emiter–kolektor), aby działał, musimy „zamknąć” obwód baza–emiter.

 W tranzystorach NPN emiter podłączony jest do masy układu (GND), dlatego baza musi zostać podłączona (przez rezystor ograniczający prąd) do plusa baterii.

 Natomiast w przypadku PNP emiter podłączony jest do plusa baterii, więc bazę należy połączyć (przez rezystor) z masą układu (GND).

Inaczej mówiąc, przepływ dużego prądu możemy „aktywować” przez rezystor:

 masą układu (GND) w przypadku PNP,

 dodatnim zasilaniem w przypadku NPN.



Zadanie

KOGUT POLICYJNY

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Zmontujcie układ zgodnie z poniższym schematem:

Jest to układ migający dwiema diodami (niebieską i czerwoną), który symuluje sygnały radiowozu!

Układ taki – nazywany multiwibratorem astabilnym – pozwala wykonać wiele ciekawych urządzeń. Powyższe miganie diodami to tylko jeden z przykładów. Nie będziemy jednak analizować działania tego układu – traktujemy go jako projekt demonstrujący zastosowanie tranzystorów.

Celem zmontowania układu, jeśli powyższy schemat jest jeszcze dla Ciebie za trudny, możesz posiłkować się następującym schematem montażowym:

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Podczas składania układa trzeba zwrócić uwagę na odpowiednią polaryzację kondensatorów.

Poniżej zobaczyć możecie układy w praktyce:

Uruchom symulację po zmontowaniu układu.

Jeśli wszystko jest poprawnie zmontowane, to po włączeniu zasilania, diody powinny zacząć migać na zmianę. W rzeczywistości miganie zacznie się od „losowej” diody, a cały układ zadziała tylko dlatego, że używane elementy nie są idealne.



Podsumowanie dla wytrwałych



TRANZYSTOR

Tranzystor jest prawdopodobnie najważniejszym wynalazkiem elektroniki XX w. Dzięki niemu udało się zminiaturyzować układy elektroniczne, powstały układy scalone, mikroprocesory. Bez tranzystorów nie miałbyś dzisiaj komputera na swoim biurku lub telefonu komórkowego. Dla elektronika znajomość podstaw działania tranzystora jest kluczowa. Po prostu musisz wiedzieć jak działa tranzystor, aby go świadomie stosować w swoich urządzeniach. Pełną wiedzę zdobędziesz na studiach elektronicznych. Tutaj podaliśmy jedynie najbardziej podstawowe fakty, które jednak w wielu przypadkach pozwolą Ci efektywnie wykorzystywać tranzystor w technice cyfrowej.

 Tranzystor bipolarny (dwubiegunowy)

Zbudowany jest wewnętrznie z trzech warstw półprzewodnika: npn lub pnp. Do każdej z tych warstw podłączona jest osobna elektroda.

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

Rozważmy tranzystor npn (tranzystory pnp działają podobnie, lecz posiadają odwróconą polaryzację napięć)

Elektrody otrzymały następujące nazwy:

 Emiter

 Baza

 Kolektor

Nazwy te odzwierciedlają funkcje tych elektrod:

 Emiter to wysyłacz

 Baza to podstawa

 Kolektor to zbieracz

Na styku tych warstw półprzewodnikowych tworzą się dwa złącza p-n z barierami potencjału:

Jeśli do bazy przyłożymy napięcie o potencjale wyższym od potencjału emitera i będzie on wyższy od bariery potencjału na złączu baza-emiter (około 0,6V dla tranzystora krzemowego), to w obwodzie baza-emiter popłynie prąd elektryczny IB-E. Elektrony, które są nośnikami większościowymi w półprzewodniku n emitera, przejdą przez barierę potencjału

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

na złączu B-E i znajdą się w półprzewodniku p bazy. Baza będzie je przyciągać, ponieważ posiada potencjał dodatni.

Jeśli teraz spolaryzujemy złącze baza-kolektor zaporowo (do kolektora przyłożymy potencjał wyższy od potencjału bazy), to kolektor zacznie przyciągać ładunki ujemne, które przeszły z półprzewodnika n emitera do półprzewodnika p bazy i w obwodzie kolektor-emiter popłynie dużo większy prąd niż w obwodzie baza-emiter.

Prąd bazy IB jest bardzo mały w porównaniu z prądem kolektora IC. Mimo to małe zmiany prądu bazy wywołują duże zmiany prądu kolektora. Na tej zasadzie tranzystor pełni funkcję elementu wzmacniającego.

Tranzystory są elementami nieliniowymi (nie stosuje się do nich prawo Ohma), a obliczenia wymagają stosowania różnych modeli matematycznych.

„Młody mechatronik - przez zabawę i naukę do świadomego wyboru drogi kształcenia”

POWR.03.01.00-00-U121/17

 Zapamiętaj

Tranzystor przewodzi na złączu emiter-kolektor, jeśli baza jest spolaryzowana napięciem +0,6...0,7V w stosunku do emitera. Jeśli nie jest, to tranzystor jest zablokowany i prąd emiter- kolektor nie płynie.

GRATULACJE!

I ZNOWU KOLEJNA LEKCJA ZA WAMI!!!

Dziś zagadka na koniec 