Transistorit

Julkaistu: torstai 9.2.2017

Jatketaan elektroniikan teoriaosiota komponenteilla nimeltä transistorit. Selvitetään mitä ne oikeastaan ovat ja kuinka ne toimivat. Tässä kirjoituksessa ei mennä pintaa syvemmälle, vaan tarjotaan ainoastaan perustieto, joka on hyvä tietää. Lisätietoa transistoreista löytyy jälleen googlettamalla sekä tämän sivuston eri aihealueista.

Transistorin toimintaperiaate

Transistoria voidaan ajatella elektronisena kytkimenä. Sillä ohjataan sähkövirtaa joko kokonaan päälle/pois tai sähkövirran suuruutta muutetaan transistorin avulla. Kuulostaa hieman monimutkaiselta, mutta asia on oikeastaan todella yksinkertainen, kun sen hoksaa.

Transistorin ohjaus

Transistorin kannalle syötetään ohjausvirta. Käytännössä asiaa mietitään siten, että transistorin kannan ja emitterin välille tuodaan transistorille ominainen kynnysjännite. Kun kynnysjännite ylittyy, niin virta alkaa kulkemaan kollektorilta emitterille. Hankalasti selitetty, joten tässä se pääasia: syötä transistorin kannalle sen vaatima kynnysjännite niin transistori alkaa johtaa.

Transistorin vaatima "päällemenojännite" nähdään komponentin datalehdistä ja siellä se useasti on merkitty symbolilla VBE tai UBE. Tyypillisesti luokkaa 0,6 V.

Transistorin käyttämisestä ohjauskytkennässä voit lukea lisää esimerkiksiMikrokontrollerin ohjauskytkennät -sivulta.

BJT-Transistoreista

NPN-transistori

Kuvassa oleva komponentit piirikaaviosymboli esittää NPN-tyyppistä BJT-transistoria. BJT tulee sanoista Bipolar Junction Transistor. BJT-transistoreita on NPN- ja PNP-tyyppisiä ja näiden erona on vain virran kulkusuunta. PNP-tyypin transistoreiden piirikaaviosymbolissa pieni nuoli ympyrän sisällä osoittaa vastakkaiseen suuntaan ja kollektori ja emitteri ovat toisinpäin. NPN-transistorissa virta kulkee kollektorilta emitterille ja PNP:ssä päinvastoin. Tosin PNP-transistorit ovat hieman hitaampia kuin NPN-transistorit.

Summa summarum: NPN-transistoria ohjataan positiivisella jännitteellä (usein 0,6 V johtavassa tilassa ja täysin auki lähemmäs 0,7) ja PNP-transistoria negatiivisella jännitteellä tai jopa 0 V:lla.

Transistorin toiminta

Alla oleva animaatio esittää kuinka transistori periaatteessa toimii.

Transistorin toiminta

Kun kannalle tuodaan sähkövirta jonka jännite on alle transistorin kynnysjännitteen (tässä esimerkissä 0,6 V) niin mitään ei tapahdu. Kun kynnysjännite saavutetaan tai ylitetään, niin transistori kytkeytyy päälle ja alkaa johtamaan sähkövirtaa. Kollektorilta emitterille kulkevan virran suuruutta (voidaan sanoa myös voimakkuutta) säädellään BJT-transistoreissa kantavirran suuruudella. Tähän olennaisena asiana liittyykin virtavahvistuskerroin HFE. Virtavahvistuskerroin on ilmoitettu komponentin datalehdessä mutta jokaiselle komponentille HFE on hieman erilainen, sillä jokainen komponentti on yksilö ja siis hieman erilainen. Valmistajien ilmoittamat arvot voivat siis hieman heittää, mutta datalehdessä mainituissa rajoissa pitäisi arvojen pysyä.

BJT-transistoreissa vahvistetaan (siis transistori vahvistaa) kannalle tulevaa virtaa, jonka vuoksi BJT:t ovat virtavahvistustransistoreita. Jos siis halutaan vaikkapa mikrofonilta tulevaa signaalia vahvistaa, niin se kytketään transistorin kannalle. Vahvistus määräytyy HFE:n mukaan ja vahvistettu signaali voidaan ottaa kollektorilta ulos.

Transistorien käyttö

Transistoreita käytetään joka paikassa joihin liittyy tietotekniikka tai elektroniikka. Ne ovatkin olleet edellytys sille, että tietokoneet ja teknologia ovat päässeet kehittymään näin pitkälle. Tietokoneet perustuvat transistorien toimintaan ja tulevat jatkossakin perustumaan (paitsi sitten, kun kvanttitietokone saadaan täysin kehitettyä).

Elektroniikkaharrastelija (voi) käyttää transistoria vahvistimena, kytkimenä tai vaikka säätövastuksena. Alla olevasta linkistä voit lukea mikrofoniesivahvistimen toiminnan ja katsoa kytkentäkuvan ko. kytkennästä. Kannattaa katsoa, jotta saa jonkinnäköistä perstuntumaa transistoreiden käyttöön.

http://www.kolumbus.fi/mikko.esala/MVahv2TrBias.pdf

Transistori kytkennässä

Alla olevassa kuvassa on esitettynä transistorin käyttö vahvistinkytkennässä.

Vahvistinkytkentä

Kytkennässä käytetään tavallista NPN-tyyppistä BJT-transistoria. Kondensaattorit C1 ja C2 vaikuttavat siten, että ne estävät tasasignaalin pääsyn transistorille ja kytkennästä pois. Kondensaattori C3 vaikuttaa siten, että kytkennästä saadaan lähes täysi vahvistus kun vastus R4 on näin ohitettu. Kondensaattorit päästävät lävitseen vaihtosignaalit, mutta tasasignaalien eteneminen pysähtyy niihin.

Kytkentä vahvistaa in:iin syötettyä signaalia ja vahvistettu signaali saadaan out:ista ulos. Ulos tulevan signaalin vaihe on kuitenkin kääntynyt 180 astetta. Tällainen vaiheenkääntö on tälle kytkennälle ominaista.

Vastuksien arvot voidaan mitoittaa, aivan kuten kondensaattoreidenkin arvot, mutta niitä ei nyt tässä lähdetä mitoittamaan. Tarkoitus oli vain selventää transistorin käyttöä vahvistinkytkennöissä.

Transistori kytkimenä

Transistoreiden käytöstä kytkimenä lisää sivulla mikrokontrollerin ohjauskytkennät.

 

Lähteitä:

http://fi.wikipedia.org/wiki/Transistori
http://koti.mbnet.fi/~stinger/npn_pnp.php
http://vanha.edu.utu.fi/.../transistorit.html