Tranzistor je elektronické zařízení, které plní funkci zesílení nebo přepínání signálu. Tranzistor je jedním z nejdůležitějších prvků elektroniky a je široce používán v různých zařízeních, jako jsou rádiové vysílače, počítače a další.
Obvod tranzistoru je založen na principu řízení toku elektronů přes polovodičový materiál. Tranzistor se skládá ze tří vrstev-emitoru, základny a kolektoru. Emitor, základna a kolektor tvoří dvě uvedené vrstvy přechodu p-n.
Emitor je nasycen větším počtem elektronů a základna je naplněna menším počtem elektronů. Kolektor je neobsazený. Proud jde z emitoru do kolektoru, zatímco základna řídí proud podle vnějšího signálu.
Obvod tranzistoru může být reprezentován jako plovoucí spínač, který se používá k řízení toku elektronů mezi dvěma piny – emitorem a kolektorem.
Tranzistor tak umožňuje zesílit slabý signál nebo změnit jeho tvar pod vlivem vnějšího signálu. Tranzistory jsou klíčovými prvky většiny elektronických zařízení a pochopení jejich práce je důležitou součástí ve studiu elektroniky.
Definice tranzistoru
Tranzistor se skládá ze tří oblastí: emitoru, základny a kolektoru. Elektrické vlastnosti každé z oblastí určují provozní režim tranzistoru, umožňují zesílení nebo přepínání signálů.
Provoz tranzistoru je založen na fenoménu elektronického přenosu náboje. Během procesu práce se elektrony přesouvají z emitoru do kolektoru přes základnu řízenou napětím.
V režimu zesílení tranzistor zvýší amplitudu signálu a vytvoří kopii vstupního signálu na výstupu. Tato zpětná vazba umožňuje použití tranzistorů k vytvoření zesilovačů a zesilovacích obvodů.
V režimu přepínání plní tranzistor funkci mechanického spínače nebo klíče. Může otevřít nebo zavřít elektrický obvod, což umožňuje jeho použití v logických obvodech a elektronických spínačích.
Role tranzistoru v elektronice
Hlavní funkcí tranzistoru je změna síly a směru elektrického proudu. V závislosti na typu tranzistoru (polního nebo bipolárního) a způsobu jeho připojení (emitárního, základního nebo kolektorového) může fungovat v různých režimech a plnit různé funkce.
Tranzistory se používají v zesilovacích obvodech k zesílení slabých signálů. To umožňuje zvýšit amplitudu signálu a přenést jej na výstupní úroveň s větším výkonem. Díky této funkci se tranzistory používají v rádiových přijímačích, zesilovačích zvuku, televizorech a mnoha dalších zařízeních, kde je potřeba zesílit signál.
Tranzistory se také používají v logických obvodech k přepínání signálů "on/off". V tomto případě tranzistory fungují jako elektronické klíče, které řídí otevírání nebo zavírání obvodu signálu. To umožňuje regulovat tok informací a řídit provoz dalších prvků obvodu. Takové tranzistory se používají v počítačích, mikrokontrolérech, telefonních systémech a dalších zařízeních, kde je nutné logické ovládání signálů.
Historie vývoje tranzistoru
První koncepty tranzistoru se objevily na počátku 20.století, ale praktické využití získaly až v roce 1947, kdy tři vědci: John Bardin, William Shockley a Walter Brattain vytvořili první tranzistor založený na polovodičovém materiálu.
Tranzistory byly původně vytvořeny na základě Německo, ale byly neefektivní a slabé. Vědci brzy zjistili, že křemík a další materiály mohou být použity jako polovodiče, což vedlo k výkonnějším a účinnějším tranzistorům.
V 50.a 60. letech pokračoval vývoj tranzistorů a tato technologie se stala stále běžnější. Tranzistory byly miniaturizovány a hromadně vyráběny, což vedlo k prvním počítačům a dalším elektronickým zařízením.
Postupem času se technologie tranzistorů stala stále složitější a integrovanější. To vedlo k vytvoření mikroprocesorů a čipů, které mají miliony tranzistorů na jednom krystalu.
Dnes jsou tranzistory hlavní součástí téměř všech elektronických zařízení a počítačů. Historie jejich vývoje a aplikace stále pokračuje a vědci pracují na vývoji stále rychlejších, účinnějších a výkonnějších tranzistorů.
Schéma fungování tranzistoru
Schéma fungování tranzistoru je založeno na vlastnostech jeho struktury a efektu polárního přechodu, ke kterému dochází mezi vrstvami polovodičů. Když tranzistor běží v režimu zisku, napětí vstupuje do základny (B) a to umožňuje regulovat tok elektronů nebo děr mezi emitorem (E) a kolektorem (C).
Při nízkém napětí na základně je tranzistor v režimu odříznutí nebo zavření. V tomto případě je tok elektronů nebo děr zcela zablokován a proud neprochází zařízením.
Když je napětí na základně nad určitým prahem, to znamená, že se zapne, tranzistor přejde do režimu nasycení nebo otevření. V tomto případě může velký proud protékat zařízením. V tomto režimu tranzistor zesiluje elektrický signál a lze jej použít jako zesilovač nebo přepínač.
Obvod tranzistoru tak umožňuje ovládat proud pomocí malého vstupního signálu a umožňuje vytvářet složitá elektronická zařízení, jako je rádio, počítače a televizory.
Struktura a princip tranzistoru
Princip fungování tranzistoru je založen na řízení elektrického proudu v základní vrstvě k ovládání elektrického proudu v emitární nebo kolektorové vrstvě. V závislosti na typu tranzistoru - NPN nebo PNP - se směr proudu může měnit a ovlivnit jeho vlastnosti.
Když je na základnu tranzistoru přiváděn malý řídicí proud, mluví se o režimu aktivní saturace. V tomto režimu funguje tranzistor jako zesilovač s velkým ziskem. Při velkém řídicím proudu lze tranzistor přepnout do režimu odpojení, kdy je proud mezi emitorem a kolektorem zcela přerušen.
Výhodou tranzistoru oproti dříve používanému vakuovému triodu je jeho malá velikost, nízká spotřeba energie a vysoká spolehlivost. V obvodech zesilovačů, generátorů a logických prvků jsou tranzistory široce používány v moderní elektronice a jsou klíčovým prvkem mnoha elektronických zařízení.
Typy tranzistorů a jejich charakteristiky
1. Bipolární tranzistory (BJT)
Bipolární tranzistory se skládají ze tří vrstev polovodičového materiálu: emitoru, základny a kolektoru. Mohou být NPN nebo PNP v závislosti na typu polovodičového materiálu použitého pro každou vrstvu. Bipolární tranzistory se vyznačují vysokým ziskem proudu a nízkým vnitřním odporem.
2. Tranzistory pole (FET)
Tranzistory v terénu se skládají ze čtyř vrstev polovodičového materiálu: pramene, odtoku, závěrky a substrátu. Mohou být MOSFET nebo JFET v závislosti na typu dielektriky na závěrce. Tranzistory v terénu se vyznačují vysokým vstupním odporem a nízkou spotřebou energie.
3. Unipolární tranzistory
Unipolární tranzistory jsou také známé jako IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) nebo Thyristor. Kombinují vlastnosti bipolárních tranzistorů a tranzistorů v poli, což jim umožňuje kombinovat vysoký vstupní odpor s vysokým ziskem proudu.
4. Darlingtonovy tranzistory
Darlingtonové tranzistory se skládají ze dvou bipolárních tranzistorů Spojených v sérii. Mají velmi vysoký proudový zisk, díky čemuž jsou ideální pro použití v obvodech s nízkou úrovní vstupního signálu.
Každý typ tranzistoru má své vlastní jedinečné vlastnosti a používá se v různých elektronických zařízeních. Při výběru tranzistoru je třeba vzít v úvahu jeho parametry a splnění požadavků konkrétního obvodu.