Tranzystor bipolarny to jeden z fundamentalnych elementów elektroniki, którego zrozumienie jest niezbędne w pracy z elektroniką i robotyką. W praktyce może on pracować w kilku różnych stanach, a każdy z nich ma inne właściwości i zastosowania.
Wszystkie stany pracy tranzystora określa polaryzacja jego złącz – kierunek i wielkość napięć przyłożonych do złącza baza–emiter oraz kolektor–baza. W tym materiale skupiamy się na stanie nasycenia i związanym z nim pojęciu napięcia nasycenia U_CE(sat).
Trzy główne stany pracy tranzystora
W praktyce najczęściej rozróżnia się trzy kluczowe stany pracy tranzystora bipolarnego:
- stan odcięcia – oba złącza spolaryzowane zaporowo, tranzystor nie przewodzi (I_C ≈ 0), działa jak przełącznik wyłączony,
- stan aktywny – złącze baza–emiter przewodząco, a kolektor–baza zaporowo; prąd kolektora zależy od prądu bazy (I_C ≈ β·I_B),
- stan nasycenia – oba złącza przewodząco; tranzystor jest „w pełni otwarty”, a jego rezystancja w stanie włączenia jest minimalna.
Dla szybkiego porównania zachowania w tych stanach pomocna jest poniższa tabela:
| Stan | Złącze BE | Złącze CB | Zachowanie | Typowe użycie |
|---|---|---|---|---|
| Odcięcie | zaporowo | zaporowo | I_C ≈ 0; przełącznik OFF | logika, standby |
| Aktywny | przewodząco (U_BE ≈ 0,7 V) | zaporowo | I_C ≈ β·I_B; wzmacnianie | wzmacniacze |
| Nasycenie | przewodząco | przewodząco | U_CE(sat) ≈ 0,1–0,3 V; przełącznik ON | przełączanie, obwody cyfrowe |
Czym jest nasycenie tranzystora?
Nasycenie to stan, w którym tranzystor jest maksymalnie otwarty, a napięcie kolektor–emiter spada do minimalnej, lecz niezerowej wartości U_CE(sat).
Aby wejść w nasycenie, należy wymusić odpowiednio duży prąd bazy. Zależność nie jest liniowa – zwiększanie prądu bazy powoduje coraz głębsze nasycenie, ale z malejącymi korzyściami dla dalszego spadku U_CE.
Napięcie nasycenia U_CE(sat)
U_CE(sat) to najmniejsze napięcie między kolektorem a emiterem w stanie nasycenia. W rzeczywistym tranzystorze U_CE nigdy nie spada do zera – nawet przy bardzo dużym prądzie bazy.
Typowe wartości dla małych tranzystorów ogólnego przeznaczenia mieszczą się w zakresie 0,1–0,3 V, a w praktyce napięcie na kolektorze w nasyceniu rzadko przekracza 1 V. Na U_CE(sat) wpływają następujące czynniki:
- struktura tranzystora – różne typy mają różne wartości U_CE(sat);
- prąd kolektora – im większy I_C, tym zwykle wyższe U_CE(sat);
- prąd bazy – większy I_B pogłębia nasycenie i obniża U_CE(sat).
Płytkie i głębokie nasycenie
Płytkie nasycenie występuje, gdy prąd bazy jest minimalnie wystarczający do osiągnięcia nasycenia. Tranzystor znajduje się na granicy między obszarem aktywnym a nasyceniem, a U_CE(sat) przyjmuje wyższe wartości z typowego zakresu.
Głębokie nasycenie pojawia się przy znacznie większym prądzie bazy niż wymagane minimum. Napięcie U_CE(sat) maleje, ale rośnie bezwładność przełączania wskutek efektu magazynowania ładunku. W układach o wysokiej szybkości działania często unika się zbyt głębokiego nasycenia.
Granica między stanem aktywnym a nasyceniem
Granica między stanem aktywnym a nasyceniem zachodzi, gdy U_CB = 0, czyli U_CE = U_BE.
Dla tranzystorów krzemowych w przewodzeniu U_BE ≈ 0,7 V. W nasyceniu spełniony jest zatem warunek U_CE ≤ U_BE.
Charakterystyka wyjściowa tranzystora
Charakterystyka wyjściowa prezentuje zależność prądu kolektora I_C od napięcia U_CE dla różnych prądów bazy I_B. Wyróżniamy na niej trzy obszary:
- obszar odcięcia – I_C jest znikomy przy zbyt małym prądzie bazy;
- obszar aktywny – I_C rośnie prawie liniowo wraz z I_B, tranzystor wzmacnia;
- obszar nasycenia – U_CE jest małe (zwykle poniżej 0,3 V), a dalszy wzrost I_B słabo zmienia I_C.
W nasyceniu prąd kolektora silnie zależy od U_CE, a słabo od prądu bazy. Punkt pracy przesuwa się od odcięcia, przez obszar aktywny, do nasycenia wraz ze wzrostem sterowania bazą.
Wpływ nasycenia na pracę obwodów
Znajomość nasycenia pozwala właściwie dobrać tryb pracy do zastosowania:
- układy logiczne – tranzystory pracują dwustanowo (odcięcie/nasycenie), co zapewnia niski pobór mocy i jednoznaczne poziomy sygnałów;
- wzmacniacze – punkt pracy ustawia się w obszarze aktywnym, aby uniknąć odcięcia i nasycenia, które powodują zniekształcenia;
- przełączniki elektroniczne – dąży się do nasycenia, bo im głębsze nasycenie, tym mniejsze straty mocy i wyższa sprawność.
Charakterystyka nasycenia w tranzystorach MOS
W tranzystorach MOS pojęcie nasycenia ma inny, lecz pokrewny sens: prąd staje się słabo zależny od napięcia wyjściowego, a silniej od sterowania bramką.
Warunek nasycenia w tranzystorze NMOS można zapisać tak:
V_DS ≥ V_GS − V_T
Po jego spełnieniu prąd drenu zależy głównie od V_GS, a w małym stopniu od V_DS.
Pomiary praktyczne
U_CE(sat) można łatwo zweryfikować pomiarowo w prostym układzie testowym. Postępuj według kroków:
- zbuduj obwód z tranzystorem NPN jako przełącznikiem niskostronnym: obciążenie do V_CC, kolektor do obciążenia, emiter do masy;
- dobierz rezystor bazy tak, by wymusić I_B ≈ I_C/β_wym (typowo β_wym = 5–10 dla pewnego nasycenia);
- zasil układ, upewnij się, że płynie oczekiwany I_C, a tranzystor jest w nasyceniu;
- zmierz napięcie między kolektorem a emiterem – to U_CE(sat); porównaj wynik z kartą katalogową.
Wyniki pomiaru zwykle mieszczą się w specyfikowanym zakresie, ale zależą od I_C, I_B i temperatury.