Yleistransistori


Transistori keksittiin vuonna 1947 ja se on ollut merkittävä edistysaskel elektroniikassa. Sen keksiminen syrjäytti silloiset elektroniputket signaalin muokkauksessa ja vahvistamisessa. Transistori on pienikokoinen vähän tehoa kuluttava puolijohdekomponentti. Transistorit voidaan jakaa bipolaaritransistoreihin ja kanavatransistoreihin.
Bipolaaritransistoria voidaan näin ollen käyttää kytkimenä sekä vahvistin- ja muistielementtinä.[1] [2]


Rakenne


Bipolaaritransistori eli BJT valmistetaan puolijohdemateriaaleista, tyypiillisesti piistä, johon on lisätty epäpuhtausatomeita. Epäpuhtausatomeilla saadaan aikaan n- ja p- tyypin puolijohteista. Bipolaaritansistori koostuu kolmesta kerroksesta n- ja p- tyypin puolijohteita, jolloin syntyy kaksi pn-liitosta eli rajapintaa. Molemmissa rajapinnoissa häviää liikkumiskykyiset varaukset ja syntyy tyhjennysalue. Rajapinnan molemmille puolille syntyy vastakkaismerkkiset varauskerrokset. N-puolelle syntyy positiivinen varaus, koska sielä on vapaita elektroneja ja p-puolelle negatiivinen varaus, koska sielä on vapaita aukkoja. Bipolaarisuus tarkoittaa, että toimintaan osallistuvat sekä elektronit että aukot. [3] [4]


transistorin_raknne.JPG
NPN-tyyppisen bipolaaritransistorin periaatteellinen rakennekuva.TraTransistorin_todellinen_rakenne.JPG
Transistorin todellinen rakenne. Kannan alue on paljon ohuempi kuin emitterin ja kollektorin. Puolijohteen pintaan seostetaan yleensä alumiinikontaktit liityntöjä ja kotelointia varten. Kotelointityyppejä on paljon erilaisia. Valitsemani transistori on SOT-32 tyyppinen muovikotelo. SOT-tyyppi tarkoittaa hyvin pienikokoista kotelointia. [5]



piirikaavio2.JPG
NPN-tyyppisen bipolaaritransistorin piirrosmerkki ja sen virrat ja jännittet.
BD139.JPGBD139b.JPG
Kuvassa bipolaaritransistori (NPN) BD139. Vasemmanpuoleisesta kuvasta katsottuna kanta (base) on oikeanpuoleinen jalka, kollektori (collector) on keskimmäinen jalka ja emitteri (emitter) on vasemmanpuoleinen jalka. [6]


Toiminta


Bipolaaritransistorin hallitsevat yhtälöt:

ic = Bib ic = kollektorivirta
ie = ib+ic ib = kantavirta
ie = emitterivirta

B on kollektori- ja kantavirran suhde eli virtavahvistuskerroin. Tämä kuvaa bipolaaritransistorin vahvistusta eli kuinka paljon kollektorilta lähtevä virta on vahvistunut kannan virran suhteen. Virtavahvistus voidaan jakaa DC ja AC virtavahvistukseksi. BD139 DC virtavahvistus on 25-250.

Bipolaaritransistorilla on kolme toimintatilaa: Cutoff, saturaatio ja lineaarinen.

Cutoff:

Kun kollektorilla on suurempi jännite kuin emitterillä ja kantaa ei ole kytketty, niin transistori biasoituu estosuuntaiseksi (kannan ja kollektorin välillä). Kollektorilta emitterille kulkee vain hyvin pieni vuotovirta mutta tämä vuotovirta on niin pieni, että voidaan todeta transistorin olevan johtamattomassa tilassa. Tällöin jännite kannalta emitterille on alle 0,7V.

Saturaatio:

Kun jännite kollektorin ja emitterin välillä pienenee, niin tällöin myös tyhjennysalue pienenee kannan ja kollektorin välillä. Kun kollekorin ja emitterin välinen jännite on pienempi kuin kannan ja emitterin välinen jännite, niin kannan ja kollektorin välinen pn-liitos myötäbiasoituu ja transistori on saturaatiossa. Saturaatiossa kollektorivirta ei enää kasva vaikka kantavirta kasvaisi. Saturaatiossa hallitsevat yhtälöt eivät ole voimassa ja jännite kollektorin ja emitterin välillä on noin 0,2V.


Lineaarinen:

Kun kannalle tuodaan positiivinen jännite alkaa se vetämään elektroneja puoleensa emitteriltä (npn). Kannalle saapuvat elektronit ovat vähemmistövarauksenkuljettajia joten estosuuntainen jännite kuljettaa ne kollektorille. Suurin osa elektroneista kulkeutuu kollektorille ja kollektorin virta on paljon suurempi kuin kannan virta. Transistori on tällöin lineaarisella alueella eli aktiivisella alueella. Lineaarisella alueella kannan ja emitterin välinen jännite on noin 0,7V ja transistorin hallitsevat yhtälöt ovat voimassa. Bipolaaritransistorilla kantavirran avulla voidaan helposti säädellä suuremman kollektorivirran kulkua. Kantavirran kulkua säädellään kannan ja jännitteen välissä olevan jännitteen avulla. [7]



Käyttötavat ja sovelluskohteet


Transistorin lepovirrat ja jännitteet määritetään siten, että transistori toimii halutulla tavalla. Nämä virrat ja jänniteet ovat vakioita. Tällöin puhutaan transistorin biasoinnista eli toimintapisteen asetuksesta. Esimerkiksi vahvistinkäytössä toimintapiste halutaan asettaa mahdollisimman keskelle toimintasuoraa, jolloin transistori toimii mahdollisimman lineaarisesti ja saavutetaan laajin dynamiikka. Tällöin AC hyötysignaali summautuu biasointi virtoihin ja jännitteisiin. Vahvistinkäytössä transistoreilla on kolme erilaista peruskytkentää: yhteisemitteri, yhteiskanta, ja yhteiskollektori. Kytkentä määräytyy siitä mikä on sisään ja ulostulon yhteisenä terminaalina. Jokaisella kytkennällä on erilaiset ominaisuudet, joista yleensä katsotaan virtavahvistusta, jännitevahvistusta ja sisään ja ulostuloimpedansseja. Periaatteellisesti voidaan sanoa, että yhteisemitterikytkentää käytetään yleisvahvistimena, yhteiskollektorikytkentää puskurivahvistimena ja yhteiskantakytkentä on hyvä virtageneraattori ja tyypillisesti käytetään toisen vahvistinkytkennän yhteydessä. Lisäksi on olemassa Cascode kytkentä, joka on yhteisemitterikytkennän ja yhteiskantakytkennän yhdistelmä jossa päästään eroon Miller-efektistä. Vahvistin käytössä on huomioitava, että toimintapiste muuttuu transistorin lämpötilan muuttuessa. Integroiduissa piireissä biasointi tapahtuu virtapeilirakenteiden avulla.[8]

Kun transistori halutaan toimivan pulssi- ja kytkin käytössä transistorin toimintapiste sijaitsee saturaatioalueella ja cutoff alueella.

ominaiskäyrästö.JPG
Transistorin ominaiskäyrästö, josta nähdään kollektorivirran ja kollektorin ja emitterin välisen jännitteen suhde eri kantavrran arvoilla. [9]

Transistorin on toimittava sallitulla alueella, jottei transistori tuhoudu. Datalehdissä on mainittu yleensä transistorin maksimi lämpötila (150 C), tehonkesto (12,5W), suurin sallittu kollektorivirta(1,6A) ja suurin sallittu kollektori emitteri jännite (80 V).Suluissa BD139:n arvot. Transistorin toimintaa voidaan kuitenkin tehostaa jäähdytyselementeillä tai aktiivisella jäähdytyksellä.

Sallittu_alue.JPG
Transistorin turvallinen toiminta-alue eli SOA(Safe Operating Area). Transistorin tulisi toimia vihreän alueen sisällä. [10]

Transistorin sovelluskohteiden kirjo on lähes rajaton ja se on yksi avainkomponenteista modernissa elektroniikassa. Nykyisin bipolaaritransistoria käytetään hyvin suuressa määrin analogiaelektroniikassa kuten audiovahvistimissa ja mittauslaitteistoissa joissa hyötysignaalia halutaan vahvistaa. Bipolaaritransistoria käytetään myös elektroniikassa erilaisten rakenteiden luomiseen luomiseen kuten esimerkiksi virtapeilit, virtalähteet, differentiaalivahvistimet, operaatiovahvistimet, erilaiset vahvistin rakenteet kuten darlington kytkentä ja push-pull rakenne. [11]

Audiovahvistin.JPG
Audiovahvistin (1W), BD139 ympyröity punaisella. Kyseisessa vahvistimessa virtavahvistus on toteutettu push-pull rakenteella. BD139 vieressä on pnp bipolaaritransistori BD140.
  1. ^ Type your reference here.
  2. ^ Jarkko Turpeinen, Transistorit, Viitattu 21.1.2010, Saatavissa:http://www.viisa.us/labrat/sah_transistori.pdf
  3. ^ 1. Tampereen teknillinen yliopisto, Puolijohdekomponenttien sovellukset luentomoniste, Jouko Heikkinen 2008
  4. ^ Jarkko Turpeinen, Transistorit, Viitattu 21.1.2010, Saatavissa:http://www.viisa.us/labrat/sah_transistori.pdf
  5. ^ Kemi-tornion ammattikorkeakoulu, Bipolaaritransistorit, Viitattu 2.2.2010, Saatavissa: http://www.tokem.fi/teku/virt_amk/elko/Kurssin_sisalto/Aktiiviset/Transistorit/Bipolaaritransistorit/body_bipolaaritransistorit.html
  6. ^ 2. BD 139 Datalehti, STmicroeletroniks, Saatavissa: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXvrwxu.pdf, Viitattu 19.1.2010
  7. ^ 3. Tampereen teknillinen yliopisto, Elektroniikan perusteet II luentomoniste, Jarmo Tanskanen
  8. ^ 1. Tampereen teknillinen yliopisto, Puolijohdekomponenttien sovellukset luentomoniste, Jouko Heikkinen 2008
  9. ^ 1. Tampereen teknillinen yliopisto, Puolijohdekomponenttien sovellukset luentomoniste, Jouko Heikkinen 2008
  10. ^ 1. Tampereen teknillinen yliopisto, Puolijohdekomponenttien sovellukset luentomoniste, Jouko Heikkinen 2008
  11. ^ 1. Tampereen teknillinen yliopisto, Puolijohdekomponenttien sovellukset luentomoniste, Jouko Heikkinen 2008