Pro začátečníky: NPN tranzistor jako spínač

Zápisník experimentátora

Elektronická zařízení se stávají stále komplexnějšími a složitějšími. To pro začátečníky znamená, že je složité získat minimální úroveň znalostí, aniž nemuseli studovat složité věci. V tomto článku se podíváme na samotný začátek. Ukážeme si, na co lze použít NPN tranzistor.

Tranzistor je základním stavebním prvkem v mikrokontrolérech. I když je v Arduinu používáme nepřímo, je dobré vědět, jak fungují. V určitých situacích si totiž nevystačíme s normálním vstupně-výstupním pinem. Ale ještě předtím, než budeme tranzistor připojovat k Arduinu, vysvětlíme si, jak funguje. Když jsem připravoval tento článek, přemýšlel jsem nad tím, jak ho napsat co nejjednodušeji. Elektronický obvod, který budeme v tomto článku studovat, nemá součástky navrženy náhodně. Hodnoty použitých rezistorů lze vypočítat pomocí několika vzorců. Na druhé straně, použití vzorců není skoro nikdy třeba. Jakmile totiž vypočítáte svůj první rezistor k LED diodě, nebudete si ho už nikdy víc počítat. Prostě si zapamatujete, že když použijete LED diodu modré barvy a k ní přidáte rezistor 1k, bude přes ni téct dostatečný proud na to, aby dioda pěkně svítila.

A přesně stejně to funguje i s tranzistory. Ve většině případů budete používat stejný typ tranzistoru s týmiž hodnotami rezistorů. V tomto článku se proto více soustředíme na experimentování. Ukážeme si, jak se chová tranzistor v základním zapojení se společným emitorem. Ukážeme si, na kterých místech si můžeme změřit zajímavé hodnoty napětí. Ty si můžete změřit multimetrem nebo pomocí Arduina. A pokud budete chtít vědět více podrobností, věnujeme tomu později samostatný článek.

Seznam součástek

Potřebujeme tyto součástky.

  • Breadboard {linkBreadboard}
  • Zdroj napětí {linkPowerSupply}
  • Rezistor 1k, 120k {linkR}
  • LED dioda {linkLED}
  • NPN Tranzistor BC547B {linkTransistor}
  • Propojovací vodiče
  • Arduino {linkArduino}

Na obrázku je elektronický obvod zapojený podle schématu na breadboardu. Vůči schématu je přehozen mikrospínač a rezistor R1, ale to nemá žádný vliv na fungování obvodu. Vidíte tam dvě větve, které jsou na jedné straně připojeny na zdroj napětí a na druhé straně jsou připojeny na tranzistor. První větev tvoří rezistor R1 (120k) a mikrospínač. Ten je ve schématu pouze označený body A a B. Je to tak učiněno proto, abyste jej mohli kdykoli odstranit a dané místo nahradit propojením na zdroj napětí nebo GND. Pokud si budete v elektronickém obvodu cokoli měřit multimetrem, je pohodlnější to mít zapojeno bez mikrospínače. A zase naopak, když s obvodem experimentujete, je pohodlnější mačkat mikrospínač. Druhou větev tvoří LED dioda a rezistor R2 (1k). LED se při stisknutí mikrospínače rozsvítí.

Tranzistor má tri vstupy:

  • C - Kolektor
  • B - Báze
  • E - Emitor

Nyní budu princip fungování NPN tranzistoru velmi zjednodušovat. Takové zapojení se nazývá zapojení se společným emitorem. Funguje to tak, že mezi kolektorem a emitorem teče proud pouze tehdy, když do báze teče výrazně menší proud. Představte si obrovské potrubí na vodu, které má na vrchu malý kohoutek na vodu. Když otočíte malým kohoutkem, otevře se velké potrubí a voda se valí přes něj. Poměr mezi proudem do báze a proudem přes kolektor-emitor se nazývá proudový zesilovací činitel (DC current gain) hFE a například při BC547B má minimální hodnotu 200. Tato hodnota se u jednotlivých vyrobených kusech tranzistoru dost liší, ale lze konstatovat, že potřebujeme 200 krát menší proud na to, abychom mohli kontrolovat proud mezi kolektorem a emitorem.

A nyní je vhodný čas na několik jednoduchých experimentů.

  • Když kontakty A a B nejsou spojeny, LED nesvítí.
  • Propojte kontakty A a B. LED bude jasně svítit. Závisí to na tom, jaké LED použijete. Modrá LED bude jasně svítit, ale jiné barvy už nemusí být až tak jasné. Hodně závisí také na povrchu LED. Ty s průhledným materiálem mohou zářit méně, protože více světla propustí ven. Proto výběr LED třeba přizpůsobit svým potřebám.
  • Vyzkoušejte propojit kontakty A a B pomocí prstu. Pokud by LED nezačala svítit, zkuste si prst navlhčit. LED bude svítit, ale jas nebude tak silný.
  • Nechte kontakty A a B nepropojené a sledujte co se stane, když propojíte emitor E a kolektor C na tranzistoru. LED bude jasně svítit.
  • Propojte kontakty A a B (LED bude svítit) a potom propojte bázi B na trazistoru a GND. LED zhasne.

Tato sada experimentů ilustruje základní principy práce tranzistoru. Malý proud (mezi bází a emitorem) ovládá velký proud (mezi kolektorem a emitorem). Někdy říkáme, že byl proud do báze zesílen. A zjednodušeně můžeme tvrdit, že zesilující činitel je konstantní. V příkladu používáme tranzistor BC547B. Proud přes kolektor je přibližně 200 krát větší, než proud přes bázi. To platí pouze v případě, že není omezen na nižší hodnotu pomocí rezistoru R2 v kolektoru, tak jak je to v našem případě.

Na základě předchozího odstavce si můžeme dovolit tvrzení, že pokud odstraníme rezistor R2, proud přes LED bude dostatečně malý, aby LED neshořela. Klidně odstraňte rezistor R2 a sledujte, co se bude dít. LED bude svítit. Pokud máte multimetr, tak změřte proud mezi LED a kolektorem. Měli byste naměřit menší hodnotu než 20 mA. Přesná hodnota se bude lišit při každém tranzistoru, který použijete. Pokud máte hodně nepoužitých LED, jednu obětujte a zapojte ji mezi Vcc a GND. Okamžitě shoří, protože tam nebude proud omezovat zesilující činitel tranzistoru.

Při návrhu elektrického obvodu s tranzistorem musíte nejprve přesně vědět, co chcete dosáhnout.

  • Má tranzistor fungovat jako spínač a má být v stavech zcela vypnutý nebo úplně zapnutý?
  • Nebo má tranzistor fungovat jako analogový zesilovač a umožňovat jen více nebo méně proudu?

Oba případy jste si v tomto experimentu vyzkoušeli. Když jste propojili kontakty A a B, tehdy byl tranzistor zcela sepnutý. Díky vnitřnímu odporu to ale není identické spojení, jako v případě dvou kovových kontaktů. Výsledek vnitřního odporu je to, že naměříte malý úbytek napětí mezi kolektorem a emitorem. Když jste propojili kontakty A a B pomocí vlhkého prstu, vytvořili jste analogový zesilovač. Výsledný jas LED závisel na tom, jakou vlhkou máte kůži a jak silně jste na kontakty přitlačili.

Jedna z komplikací při návrhu elektrického obvodu s tranzistorem je to, že nikdy neznáte přesný zesilovací činitel tranzistoru. Na rozdíl od rezistorů, kde se pohybujete v toleranci 1%, je velmi složité vyrábět tranzistory v přesné hodnotě. V případě tranzistoru BC547 se zesilující činitel nachází v rozmezí 110-800. Výroba proto funguje tak, že se tranzistory vyrobí, změří a pak se rozdělí do tří skupin A, B a C. I tak je ale v jedné skupině velký rozptyl mezi zesilujícím činitelem. Návrhář musí proto navrhovat elektrický obvod tak, aby vyhovoval libovolného tranzistoru, který se v elektrickém obvodu použije.

Arduino jako multimetr

Teorii máme za sebou a tak se můžeme trochu pobavit s Arduinem. Díky tomu, že má Arduino 6 analogových vstupů a v IDE najdeme výstup v podobě grafu, na který se transformuje výstup přes sériový port, můžeme Arduino využít jako multimetr. Můžeme jednotlivé vstupy připojit na vhodná místa a měřit tam napětí. Vyzkoušejte si následující zapojení a do Arduino nahrajte program adc6_plotter. Vstupy jsou připojeny na místa, která byla v článku zmíněné. Pusťte si v IDE Plotter a sledujte, co se bude dít, když provádíte předchozí 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 se nachází na serveru GitHub.

Video

Ve videu si můžete prohlédnout, jak funguje tranzistor. Video je v českém jazyce. Není to moje video, ale koho zajímá teorie o elektronech, které přeskakují mezi vrstvami materiálu, v tomto videu to najde velmi dobře vysvětleno.


Video



06.07.2019

Menu