Pre začiatočníkov: NPN tranzistor ako spínač

Zápisník experimentátora

Elektronické zariadenia sa stávajú čoraz komplexnejšími a zložitejšími. To pre začiatočníkov znamená, že je zložité získať minimálnu úroveň znalostí bez toho, aby nemuseli študovať zložité veci. V tomto článku sa pozrieme na samotný začiatok. Ukážeme si, na čo sa dá použiť NPN tranzistor.

Tranzistor je základným stavebným prvkom v mikrokontroléroch. Aj keď ich v Arduine používame nepriamo, je dobré vedieť, ako fungujú. V určitých situáciách si totiž nevystačíme s normálnym vstupno-výstupným pinom. Ale ešte predtým, ako budeme tranzistor pripájať k Arduinu, vysvetlíme si, ako funguje. Keď som pripravoval tento článok, premýšľal som nad tým, ako ho napísať čo najjednoduchšie. Elektronický obvod, ktorý budeme v tomto článku študovať, nemá súčiastky navrhnuté náhodne. Hodnoty použitých rezistorov je možné vypočítať pomocou niekoľkých vzorcov. Na druhej strane, použitie vzorcov nie je skoro nikdy potrebné. Akonáhle totiž vypočítate svoj prvý rezistor k LED dióde, nebudete si ho už nikdy viac počítať. Proste si zapamätáte, že keď použijete LED diódu modrej farby a k nej pridáte rezistor 1k, bude cez ňu tiecť dostatočný prúd na to, aby dióda pekne svietila.

A presne rovnako to funguje aj s tranzistormi. Vo väčšine prípadov budete používať ten istý typ tranzistora s tými istými hodnotami rezistorov. V tomto článku sa preto viac sústredíme na experimentovanie. Ukážeme si, ako sa správa tranzistor v základnom zapojení so spoločným emitorom. Ukážeme si, na ktorých miestach si môžeme odmerať zaujímavé hodnoty napätia. Tie si môžete odmerať multimetrom, alebo pomocou Arduina. A pokiaľ budete chcieť vedieť viac podrobností, venujeme tomu neskôr samostatný článok.

Zoznam súčiastok

Potrebujeme tieto súčiastky.

  • Breadboard {linkBreadboard}
  • Zdroj napätia {linkPowerSupply}
  • Rezistor 1k, 120k {linkR}
  • LED dióda {linkLED}
  • NPN Tranzistor BC547B {linkTransistor}
  • Prepojovacie vodiče
  • Arduino {linkArduino}

Na obrázku je elektronický obvod zapojený podľa schémy na breadboarde. Voči schéme je prehodený mikrospínač a rezistor R1, ale to nemá žiaden vplyv na fungovanie obvodu. Vidíte tam dve vetvy, ktoré sú na jednej strane pripojené na zdroj napätia a na druhej strane sú pripojené na tranzistor. Prvú vetvu tvorí rezistor R1 (120k) a mikrospínač. Ten je v schéme iba označený bodmi A a B. Je to tak urobené preto, aby ste ho mohli kedykoľvek odstrániť a dané miesto nahradiť prepojením na zdroj napätia alebo GND. Ak si budete v elektronickom obvode čokoľvek merať multimetrom, je pohodlnejšie to mať zapojené bez mikrospínača. A zase naopak, keď s obvodom experimentujete, je pohodlnejšie stláčať mikrospínač. Druhú vetvu tvorí LED dióda a rezistor R2 (1k). LED sa pri stlačení mikrospínača rozsvieti.

Tranzistor má tri vstupy:

  • C - Kolektor
  • B - Báza
  • E - Emitor

Teraz budem princíp fungovania NPN tranzistora veľmi zjednodušovať. Takéto zapojenie sa nazýva zapojenie so spoločným emitorom. Funguje to tak, že medzi kolektorom a emitorom tečie prúd iba vtedy, keď do bázy tečie výrazne menší prúd. Predstavte si obrovské potrubie na vodu, ktoré má na vrchu malý kohútik na vodu. Keď otočíte malým kohútikom, otvorí sa veľké potrubie a voda sa valí cezeň. Pomer medzi prúdom do bázy a prúdom cez kolektor-emitor sa nazýva prúdový zosilňovací činiteľ (DC current gain) hFE a napríklad pri BC547B má minimálnu hodnotu 200. Táto hodnotá sa pri jednotlivých vyrobených kusoch tranzistora dosť líši, ale možno konštatovať, že potrebujeme 200 krát menší prúd na to, aby sme mohli kontrolovať prúd medzi kolektorom a emitorom.

A teraz je vhodný čas na niekoľko jednoduchých experimentov.

  • Keď kontakty A a B nie sú spojené, LED nesvieti.
  • Prepojte kontakty A a B. LED bude jasne svietiť. Závisí to od toho, aké LED použijete. Modrá LED bude jasne svietiť, ale iné farby už nemusia byť až také jasné. Veľa závisí aj od povrchu LED. Tie s priehľadným materiálom môžu žiariť menej, pretože viac svetla prepustia von. Preto výber LED treba prispôsobiť svojim potrebám.
  • Vyskúšajte prepojiť kontakty A a B pomocou prsta. Ak by LED nezačala svietiť, skúste si prst navlhčiť. LED bude svietiť, ale jas nebude taký silný.
  • Nechajte kontakty A a B neprepojené a sledujte čo sa stane, keď prepojíte emitor E a kolektor C na tranzistore. LED bude jasne svietiť.
  • Prepojte kontakty A a B (LED bude svietiť) a potom prepojte bázu B na trazistore a GND. LED zhasne.

Táto sada experimentov ilustruje základné princípy práce tranzistora. Malý prúd (medzi bázou a emitorom) ovláda veľký prúd (medzi kolektorom a emitorom). Niekedy hovoríme, že bol prúd do bázy zosilnený. A zjednodušene môžeme tvrdiť, že zosilňujúci činiteľ je konštantný. V príklade používame tranzistor BC547B. Prúd cez kolektor je približne 200 krát väčší, ako prúd cez bázu. To platí len v prípade, že nie je obmedzený na nižšiu hodnotu pomocou rezistora R2 v kolektore, tak ako je to v našom prípade.

Na základe predchádzajúceho odstavca si môžeme dovoliť tvrdenie, že ak odstránime rezistor R2, prúd cez LED bude dostatočne malý, aby LED nezhorela. Pokojne odstráňte rezistor R2 a sledujte, čo sa bude diať. LED bude svietiť. Ak máte multimeter, tak odmerajte prúd medzi LED a kolektorom. Mali by ste namerať menšiu hodnotu ako 20 mA. Presná hodnota sa bude líšiť pri každom tranzistore, ktorý použijete. Ak máte veľa nepoužitých LED, jednu obetujte a zapojte ju medzi Vcc a GND. Okamžite zhorí, pretože tam nebude prúd obmedzovať zosilňujúci činiteľ tranzistora.

Pri návrhu elektrického obvodu s tranzistorom musíte najprv presne vedieť, čo chcete dosiahnuť.

  • Má tranzistor fungovať ako spínač a má byť v stavoch úplne vypnutý alebo úplne zapnutý?
  • Alebo má tranzistor fungovať ako analógový zosilňovač a umožňovať len viac alebo menej prúdu?

Obidva prípady ste si v tomto experimente vyskúšali. Keď ste prepojili kontakty A a B, vtedy bol tranzistor úplne zopnutý. Vďaka vnútornému odporu to ale nie je identické spojenie, ako v prípade dvoch kovových kontaktov. Výsledok vnútorného odporu je to, že nameriate malý úbytok napätia medzi kolektorom a emitorom. Keď ste prepojili kontakty A a B pomocou vlhkého prsta, vytvorili ste analógový zosilňovač. Výsledný jas LED závisel od toho, akú vlhkú máte kožu a ako silno ste na kontakty pritlačili.

Jedna z komplikácii pri návrhu elektrického obvodu s tranzistorom je to, že nikdy nepoznáte presný zosilňovací činiteľ tranzistora. Na rozdiel od rezistorov, kde sa pohybujete v tolerancii 1 %, je veľmi zložité vyrábať tranzistory v presnej hodnote. V prípade tranzistora BC547 sa zosilňujúci činiteľ nachádza v rozpätí 110-800. Výroba preto funguje tak, že sa tranzistory vyrobia, odmerajú a potom sa rozdelia do troch skupín A, B a C. Aj tak je ale v jednej skupine veľký rozptyl medzi zosilňujúcim činiteľom. Návrhár musí preto navrhovať elektrický obvod tak, aby vyhovoval ľubovoľného tranzistoru, ktorý sa v elektrickom obvode použije.

Arduino ako multimeter

Teóriu máme za sebou a tak sa môžeme trochu pobaviť s Arduinom. Vďaka tomu, že má Arduino 6 analógových vstupov a v IDE nájdeme výstup v podobe grafu, na ktorý sa transformuje výstup cez sériový port, môžeme Arduino využiť ako multimeter. Môžeme jednotlivé vstupy pripojiť na vhodné miesta a merať tam napätie. Vyskúšajte si nasledujúce zapojenie a do Arduina nahrajte program adc6_plotter. Vstupy sú pripojené na miesta, ktoré boli v článku spomínané. Pustite si v IDE Plotter a sledujte, čo sa bude diať, keď vykonávate predchádzajúce experimenty.

const double vref = 5.0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);

}

void loop() {
  double a0 = analogRead(A0) * vref / 1023.0;
  double a1 = analogRead(A1) * vref / 1023.0;
  double a2 = analogRead(A2) * vref / 1023.0;
  double a3 = analogRead(A3) * vref / 1023.0;
  double a4 = analogRead(A4) * vref / 1023.0;
  double a5 = analogRead(A5) * vref / 1023.0;

  Serial.print(a0);
  Serial.print(",");
  Serial.print(a1);
  Serial.print(",");
  Serial.print(a2);
  Serial.print(",");
  Serial.print(a3);
  Serial.print(",");
  Serial.print(a4);
  Serial.print(",");
  Serial.print(a5);
  Serial.println("");

  delay(100);
}

Zdrojový kód

Zdrojový kód sa nachádza na serveri GitHub.

Video

Vo videu si môžete pozrieť, ako funguje tranzistor. Video je v českom jazyku. Nie je to moje video, ale koho zaujíma teória o elektrónoch, ktoré preskakujú medzi vrstvami materiálu, v tomto videu to nájde veľmi dobre vysvetlené.


Video



05.07.2019

Menu