Tranzistoarele NPN sunt dispozitive cu trei terminale, cu trei straturi, care pot funcționa ca amplificatoare sau comutatoare electronice.

În tutorialul precedent am văzut că tranzistorul bipolar standard sau BJT vine în două forme de bază. Un tip NPN (Negativ-Pozitiv-Negativ) și un tip PNP (Pozitiv-Negativ-Pozitiv).

Cea mai frecvent utilizată configurație a tranzistorului este tranzistorul NPN. De asemenea, am aflat că joncțiunile tranzistorului bipolar pot fi polarizate într-unul din cele trei moduri diferite - Bază Comună, Emitor Comun și Colector Comun.

În acest tutorial vom examina mai îndeaproape configurația "Emitor Comun" utilizând tranzistorul NPN Bipolar, cu un exemplu de construcție a unui tranzistor NPN, împreună cu caracteristicile fluxului de curent al tranzistoarelor, dat mai jos.

O configurație de tranzistor NPN bipolar

Notă: săgeata din cerc definește emitorul și fluxul convențional de curent, "spre afară" pentru un tranzistor bipolar NPN.

Construcția și tensiunile pe terminale pentru un tranzistor NPN bipolar sunt arătate mai sus. Tensiunea dintre Bază și Emitor (VBE) este pozitivă la Bază și negativă la Emitor deoarece, pentru un tranzistor NPN, terminalul Bază este întotdeauna pozitiv față de Emitor. De asemenea, tensiunea de alimentare la Colector este pozitivă în raport cu Emitorul (VCE). Deci, pentru ca un tranzistor NPN bipolar să conducă, Colectorul este întotdeauna mai pozitiv, raportat atât la Bază cât și la Emitor.

Atunci, sursele de tensiune sunt conectate la un tranzistor NPN așa cum se arată. Colectorul este conectat la tensiunea de alimentare VCC prin intermediul rezistorului de sarcină RL care acționează pentru a limita curentul maxim care curge prin dispozitiv. Tensiunea de alimentare a Bazei VB este conectată la rezistorul din Bază RB, care este utilizat pentru a limita curentul de Bază maxim.

Astfel, într-un tranzistor NPN este mișcarea purtătorilor de curent negativi (electroni) prin regiunea Bazei care constituie acțiunea tranzistorului, deoarece acești electroni mobili asigură legătura dintre circuitele colectorului și emitorului. Această legătură între circuitele de intrare și ieșire este principala caracteristică a acțiunii tranzistorului deoarece proprietățile de amplificare a tranzistoarelor provin din controlul pe care Baza îl exercită asupra curentului Colector-Emitor.

Atunci, putem vedea că tranzistorul este un dispozitiv acționat de curent (model Beta) și că un curent mare (Ic) circulă liber prin dispozitiv între terminalele colector și emitor atunci când tranzistorul este comutat "complet ON". Dar, acest lucru se întâmplă numai atunci când un curent mic de polarizare (IB) circulă în terminalul Bază al tranzistorului, în același timp permițând Bazei să acționeze ca un fel de intrare de control curent.

Curentul tranzistorului într-un tranzistor NPN bipolar este raportul dintre acești doi curenți (Ic/IB), denumit câștig de curent DC al dispozitivului și este dat de simbolul hfe sau Beta (β), în zilele noastre.

Valoarea lui β poate fi mare până la 200 pentru tranzistoarele standard și acest raport mare între Ic și IB face ca tranzistorul bipolar NPN să fie un dispozitiv de amplificare util, atunci când este utilizat în regiunea sa activă, deoarece IB furnizează intrarea și Ic furnizează ieșirea. Rețineți că Beta nu are unități, deoarece este un raport.

De asemenea, câștigul de curent al tranzistorului de la terminalul colector la terminalul Emitor, Ic/IE, se numește Alpha, (α) și este o funcție a tranzistorului în sine (electroni care difuzează prin joncțiune). Deoarece curentul de emitor IE este suma unui curent de bază foarte mic plus un curent de colector foarte mare, valoarea alfa (α) este foarte apropiată de unitate, iar pentru un tranzistor tipic de semnal de joasă putere această valoare variază de la aproximativ 0,950 la 0,999.

Relația α și β într-un tranzistor NPN

Prin combinarea celor doi parametri α și β putem produce două expresii matematice care dau relația dintre diferiții curenți care circulă în tranzistor.

Valorile lui Beta variază de la aproximativ 20 pentru tranzistoarele de putere, de mare curent, la mai mult de 1000 pentru tranzistoarele bipolare de înaltă frecvență și mică putere. Valoarea lui Beta pentru cele mai multe tranzistoare standard NPN poate fi găsită în fișele tehnice ale producătorilor, dar în general este cuprinsă între 50 și 200.

Ecuația de mai sus pentru Beta poate fi, de asemenea, rearanjată pentru a face Ic ca subiect și cu un curent de bază zero (IB = 0) curentul de colector rezultat Ic va fi, de asemenea, zero (β*0). De asemenea, când curentul de bază este ridicat, curentul de colector corespunzător va fi de asemenea ridicat, rezultând controlul curentului de bază asupra curentului de colector. Una dintre cele mai importante proprietăți ale tranzistorului bipolar este că un curent de bază mic poate controla un curent de colector mult mai mare. Considerați următorul exemplu.

Tranzistor NPN. Exemplul nr. 1

Un tranzistor bipolar NPN are un câștig de curent DC (Beta) de 200. Se calculează curentul de bază IB necesar pentru comutarea unei sarcini rezistive de 4 mA.

Prin urmare, β = 200, Ic = 4 mA și IB = 20 μA.

Un alt punct de reținut despre tranzistoarele NPN bipolare. Tensiunea de colector (Vc) trebuie să fie mai mare și pozitivă în raport cu tensiunea emitorului, (VE) pentru a permite curentului să circule prin tranzistor între joncțiunile colector-emitor. De asemenea, există o cădere de tensiune între terminalele Bază și Emitor de aproximativ 0,7 V (o cădere de tensiune pe diodă) pentru dispozitivele de siliciu, deoarece caracteristicile de intrare ale unui tranzistor NPN sunt ale unei diode polarizate direct.

Atunci, tensiunea de bază (VBE) a unui tranzistor NPN trebuie să fie mai mare decât acest 0,7 V, altfel tranzistorul nu va conduce, cu curentul de bază dat de:

unde: IB este curentul de bază, VB este tensiunea de polarizare a Bazei, VBE este căderea de tensiune Bază-Emitor (0,7 V) și RB este rezistorul de intrare în bază. Crescând IB, VBE crește lent la 0,7 V, dar Ic crește exponențial.

Tranzistor NPN. Exemplul nr. 2

Un tranzistor NPN are o tensiune DC de polarizare a Bazei VB de 10V și un rezistor de intrare în Bază RB de 100 kΩ. Care va fi valoarea curentului de Bază în tranzistor.

Prin urmare, IB = 93 μA.

Configurația Emitor Comun

Pe lângă faptul că este utilizat ca un comutator cu semiconductor pentru a comuta curenții de sarcină "ON" sau "OFF" prin controlul semnalului din Baza tranzistorului în regiunile sale de saturație sau cut-off, tranzistorul bipolar NPN poate fi utilizat și în regiunea sa activă, pentru a produce un circuit care va amplifica orice mic semnal AC aplicat la terminalul Bază al său cu emitorul la masă.

Dacă o tensiune de "polarizare" DC adecvată este aplicată terminalului Bază al tranzistorului, permițându-i astfel să funcționeze întotdeauna în regiunea sa activă liniară, se produce un circuit amplificator inversor numit amplificator cu emitor comun cu un singur etaj.

O astfel de configurație de amplificator cu emitor comun al unui tranzistor NPN se numește amplificator de clasă A. O operare "Amplificator de clasă A" este cea în care terminalul Bază al tranzistorilor este polarizat în așa fel încât să polarizeze direct joncțiunea Bază-Emitor.

Rezultatul este că tranzistorul funcționează întotdeauna la jumătatea distanței între regiunile sale de tăiere și saturație, permițând astfel amplificatorului tranzistor să reproducă cu acuratețe alternanțele pozitive și negative ale oricărui semnal de intrare AC suprapus peste această tensiune DC de polarizare.

Fără această "tensiune de polarizare", doar o jumătate din forma de undă de intrare ar fi amplificată. Această configurație de amplificator cu emitor comun folosind un tranzistor NPN are multe aplicații, dar este frecvent utilizată în circuite audio, cum ar fi etajele de preamplificare și amplificare de putere.

Referindu-se la configurația emitor-comun prezentată mai jos, o familie de curbe cunoscute drept Curbe caracteristice de ieșire, relaționează curentul colectorului de ieșire (Ic) cu tensiunea colectorului, (VCE) pentru diferite valori ale curentului de bază (IB). Curbele caracteristice de ieșire sunt aplicate pentru tranzistoare cu aceeași valoare β.

O "linie de sarcină" DC poate fi, de asemenea, trasă pe curbele caracteristice de ieșire pentru a arăta toate punctele de operare posibile atunci când se aplică diferite valori ale curentului de bază. Este necesar să setați corect valoarea inițială a lui VCE pentru a permite tensiunii de ieșire să varieze atât în ​​sus, cât și în jos atunci când amplificați semnalele de intrare AC și acest lucru se numește setarea punctului de operare sau a punctului Quiescent (static), punctul Q pe scurt și acesta este prezentat mai jos.

Circuit amplificator cu emitor comun într-un singur etaj

Curbele caracteristice de ieșire ale unui tranzistor bipolar tipic

Cel mai important factor de observat este efectul VCE asupra curentului de colector Ic când VCE este mai mare de aproximativ 1,0 volți. Putem vedea că Ic este în mare măsură neafectat de schimbările în VCE peste această valoare dar, în schimb, este aproape în întregime controlat de curentul de bază IB. Când se întâmplă acest lucru putem spune că circuitul de ieșire reprezintă cel al unei "surse de curent constant".

Se poate observa din circuitul emitor comun de deasupra că curentul de emitor IE este suma curentului de colector Ic și a curentului de bază IB, adunate astfel încât să putem să spunem că IE= Ic+IB pentru configurația emitor comun (CE).

Folosind curbele caracteristice de ieșire în exemplul nostru de mai sus și Legea lui Ohm, curentul care circulă prin rezistorul de sarcină (RL) este egal cu curentul de colector Ic ce intră în tranzistor care, la rândul său, corespunde tensiunii de alimentare (Vcc) minus căderea de tensiune între terminalele colector și emitor (VCE) și este dat de:

O linie dreaptă, care reprezintă linia de sarcină dinamică a tranzistorului, poate fi trasă direct pe graficul curbelor de mai sus din punctul de "Saturație" (A) atunci când VCE = 0 până la punctul "Cut-off" (B) Ic = 0, dându-ne astfel punctul de operare Q al tranzistorului. Aceste două puncte sunt unite printr-o linie dreaptă și orice poziție de-a lungul acestei linii drepte reprezintă "regiunea activă" a tranzistorului. Poziția reală a liniei de sarcină pe curbele caracteristice poate fi calculată după cum urmează:

Curbele caracteristice de ieșire sau ale colectorului pentru tranzistoarele NPN cu emitor-comun pot fi folosite pentru a prezice curentul de colector Ic, atunci când este dat VCE și curentul de bază IB. O linie de sarcină poate fi construită pe curbe și pentru a determina un punct de operare Q adecvat care poate fi setat prin ajustarea curentului de bază. Panta acestei linii de sarcină este egală cu inversa rezistenței de sarcină care este dată de: -1/RL.

Deci, putem defini un tranzistor NPN ca fiind în mod normal "OFF", dar un mic curent de intrare și o mică tensiune pozitivă în baza sa (B) în raport cu emitorul său (E) îl vor comuta "ON" permițând unui curent de colector-emitor să circule. Tranzistoarele NPN conduc atunci când Vc este mult mai mare decât VE.

În următorul tutorial despre tranzistoarele bipolare, ne vom uita la forma opusă sau complementară a tranzistorului NPN numit tranzistor PNP și vom arăta că tranzistorul PNP are caracteristici foarte asemănătoare cu tranzistorul NPN bipolar, cu excepția faptului că polaritățile (sau polarizarea) curentul și direcțiile de tensiune sunt inversate.