Tranzistor je polovodičová součástka. Dokáže zesilovat elektronické signály nebo je zapínat a vypínat. Můžete si ho představit jako vypínač. Malým pohybem lze ovládat mnohem větší tok elektřiny. Tranzistory fungují jako spínače a zesilovače. Umožňují ovládat velké proudy nebo napětí pomocí malého signálu. Tyto malé součástky jsou všude. Váš telefon a počítač potřebují k fungování miliardy tranzistorů.
Procesor | Odhad počtu tranzistorů |
|---|---|
Apple A17 | Asi dvakrát tolik než Kirin 9000 |
Kirin HiSilicon 9000 | Méně tranzistorů než Apple A17 |
Co je tranzistor
Definice
Tranzistor funguje v elektronice jako malá hradla. Pomáhá řídit pohyb elektřiny v obvodu. Toto zařízení může zesilovat signály nebo je zapínat a vypínat. Uvnitř jsou tři vrstvy vyrobené z polovodičového materiálu. Tyto vrstvy jsou... nastavit jako PNP nebo NPNProstřední vrstva je řídicí část. Pokud zde změníte vstup, změní se proud v ostatních vrstvách.
Tranzistory mají tři hlavní části:
Vysílač
Základna
Kolektor
Malé napětí nebo proud na bázi řídí větší proud mezi emitorem a kolektorem. Proto tranzistory jsou tak důležité v elektronice. Najdete je téměř v každém moderním zařízení.
Tip: Představte si tranzistor jako strážce brány. Malý signál mu říká, zda má protékat větší proud.
Tranzistory mohou zesílit signál. Výstupní výkon může být mnohem větší než vstupní výkon. Proto rádia, počítače a telefony používají tranzistory.
Tranzistor používá polovodičový materiál.
Má tři svorky pro připojení k obvodu.
Doping mění polovodič tak, aby tranzistor fungoval správně.
Role v obvodech
Tranzistory plní mnoho funkcí v analogových a digitálních obvodech. Mohou zesilovat signály, přepínat proudy a vytvářet logické hradla. V analogových obvodech tranzistory zesilují slabé signály. Například reproduktory používají tranzistory ke zesílení hudby. V digitálních obvodech fungují tranzistory jako spínače. Zapínají a vypínají signály, aby počítače mohly zpracovávat informace.
Zde je tabulka znázorňující, jak tranzistory fungují v různých typech obvodů:
Typ obvodu | Primární role tranzistorů | Příklady aplikací |
|---|---|---|
Analogový | Rozšíření | Audio zesilovače, RF vysílače |
Filtrování | Obvody pro filtrování signálu | |
Modulace | AM/FM přenos | |
Digitální | Logické brány | A, NEBO, NE brány |
Spínací | Řídicí jednotky motorů, mikroprocesory |
Tranzistory zásadním způsobem změnily elektroniku. Dříve lidé používali elektronky. Tyto elektronky byly velké a spotřebovávaly spoustu energie. Když Bell Labs v roce 1947 vynalezly tranzistor, obvody se zmenšily a fungovaly lépe. Nyní mají integrované obvody mnoho tranzistorů pohromadě. To umožnilo vznik počítačů, chytrých telefonů a cestování vesmírem.
Poznámka: Lunární modul Apolla 11 měl integrované obvody s tranzistory. To pomohlo astronautům bezpečně přistát na Měsíci.
Tranzistory pomáhají vytvářet rychlá, malá zařízení s nízkou spotřebou energie. Tranzistory používáte při práci s kalkulačkou, poslechu hudby nebo odesílání textových zpráv.
Jak fungují tranzistory
Funkce spínače
Tranzistory se nacházejí v mnoha věcech, které používáte každý den. Nevidíte je, ale jsou tam. Fungují jako drobné spínače ve vašich zařízeních. Když stisknete tlačítko na telefonu, tranzistory pomáhají zařízení zapnout nebo vypnout. Představte si tranzistor jako kohoutek. Pokud kohoutek otevřete, voda teče. Pokud ho zavřete, voda se zastaví. V elektronice tranzistory řídí pohyb proudu, stejně jako kohoutek ovládá vodu.
Tranzistory fungují jako spínače dvěma hlavními způsoby. Jeden způsob se nazývá režim odpojení. V tomto režimu je tranzistor jako rozpojený spínač. Mezi kolektorem a emitorem neprotéká žádný proud. Druhý způsob se nazývá režim saturace. Zde je tranzistor jako sepnutý spínač. Protéká jím největší proud. Toto zapínání a vypínání umožňuje ovládat elektrické signály v obvodech.
Tip: Tranzistory se mohou spínat velmi rychle a nevydávají téměř žádný zvuk. Proto je nová elektronika používá místo starých spínačů.
Zde je několik reálných situací, kde tranzistory fungují jako spínače:
Počítačové procesory je používají k velmi rychlému přepínání.
Pomáhají ovládat relé v automobilech a domácích strojích.
Tranzistorové spínače jsou malé, lehké a levné, takže jsou součástí téměř každého zařízení.
Pokud na bázi... NPN tranzistor, tranzistor se zapne. Pak může protékat proud. Pokud odeberete napětí, tranzistor se vypne. To vám umožní ovládat velké proudy malými signály.
Funkce zesilovače
Tranzistory mohou také zesílit slabé signály. Používají se jako zesilovače. Například když přehráváte hudbu, tranzistory zesilují zvuk, abyste ho slyšeli. V rádiu tranzistory zesilují signál antény dostatečně silně, abyste ho slyšeli.
Do báze neboli hradla tranzistoru vstupuje malý signál. Tento malý signál řídí větší proud z kolektoru do emitoru. Výstupní signál je dostatečně silný pro reproduktory nebo sluchátka. To se stává například kytarovými pedály. Jeden tranzistor zesílí slabý zvuk kytary.
Poznámka: Tranzistor potřebuje správné napětí, aby mohl fungovat jako zesilovač. Tomu se říká předpětí. U křemíkových tranzistorů musí být napětí mezi bází a emitorem přibližně 0.6 V až 0.7 V. Napětí mezi kolektorem a emitorem musí být dostatečně vysoké, aby se signál mohl pohybovat nahoru a dolů.
Zde je tabulka, která ukazuje rozsah zesílení pro zesilovač se společným emitorem:
Typ zesílení | Minimální zisk | Maximální zisk |
|---|---|---|
Společný emitorový zesilovač | -5.32 | -218 |
Tranzistory najdete v audio zařízeních, kde zesilují signály mikrofonu bez přidání šumu. Pomáhají také s ovládáním tónů, což umožňuje měnit basy, středy a výšky.
Aktuální ovládání
Tranzistory vám pomáhají řídit, kolik proudu protéká obvodem. Používáte je k řízení proudu mezi různými částmi zařízení. Každý tranzistor má tři svorky. U bipolárního tranzistoru (BJT) jsou to emitor, báze a kolektor. U polového tranzistoru (FET) jsou to zdroj, hradlo a odtok.
Zde je návod, jak tranzistory řídí proud a napětí:
Do báze BJT posíláte malý proud nebo do hradla FETu napětí.
Tento malý vstup řídí mnohem větší proud z kolektoru do emitoru nebo z odtoku do zdroje.
Tranzistor můžete zapnout nebo vypnout změnou vstupu, stejně jako otočením kohoutku ovládáte vodu.
Tip: Souvislost mezi proudem báze a proudem kolektoru v bipolárním tranzistoru (BJT) je důležitá. Malý proud báze může řídit mnohem větší proud kolektoru. Tomu se říká zesílení a ukazuje to, jak tranzistory řídí signály.
Tranzistory používají k provozu polovodičový materiál. Polovodiče umožňují velmi dobře řídit napětí a proud. To lze vidět v počítačích, telefonech a dokonce i v kosmických přístrojích.
Pomocí tranzistorů můžete mnoha způsoby řídit napětí a proud. Můžete přepínat signály, zesilovat je nebo řídit výkon v obvodu. Díky tomu jsou tranzistory hlavními součástmi moderní elektroniky.
Tranzistorové díly
Klíčové komponenty
Každý tranzistor má tři hlavní částiKaždá část dělá něco důležitého. Tyto části spolupracují na přenosu elektřiny v zařízeních.
Složka | Popis |
|---|---|
Vysílač | Vysílá elektrony, má hodně dopingu, je vyroben z mědi nebo hliníku. |
Základna | Řídí tok, má málo dopování, umožňuje elektronům pohyb z emitoru do kolektoru. |
Kolektor | Sbírá elektrony, je větší než emitor a báze, má určitý doping, vyrobeno z křemíku nebo hliníku. |
Emitor vydává elektrony nebo díry. Báze je tenká a řídí tok. Bází může projít jen několik nosičů náboje. Kolektor přijímá elektrony nebo díry z emitoru. Velikost a materiál každé součásti ovlivňují, jak dobře tranzistor funguje. Když používáte tranzistor jako spínač, báze rozhoduje o tom, zda se proud přesouvá z emitoru do kolektoru. V zesilovači malý signál na bázi vytváří větší signál na kolektoru.
Tip: Způsob uspořádání těchto součástek a jejich složení určuje, zda tranzistor funguje jako spínač nebo zesilovač.
Polovodičový materiál
Tranzistory používají speciální materiály zvané polovodiče. Tyto materiály pomáhají řídit elektřinu. Křemík je nejběžnějším polovodičem. Křemík najdete téměř v každém elektronickém zařízení, protože je levný a dobře funguje.
Zde jsou některé materiály používané pro tranzistory:
Germanium se poprvé používalo v polovodičích.
Křemík se stal populárním v 50. letech 20. století, protože se snadno shání a lépe se s ním pracuje.
Arsenid galia se používá pro rychlou elektroniku, ale je obtížné ho vyrobit.
Křemík je dobrý, protože snáší teplo a je snadno dostupný. Germanium sice pomáhalo s ranými tranzistory, ale snadno se taví a není stabilní. Arsenid galia je lepší pro velmi rychlé obvody, jako jsou ty v satelitech nebo vysílačích mobilních sítí.
Materiál, který si vyberete, ovlivňuje rychlost a kvalitu fungování vašeho tranzistoru. Materiály s vysokou mobilitou umožňují rychlý pohyb náboje, takže zařízení běží rychleji. Některé nové materiály, jako například magnetické polovodiče, mohou dokonce ukládat paměť uvnitř tranzistoru.
Poznámka: Druh polovodiče, který si vyberete, může způsobit, že zařízení budou rychlejší, menší a silnější.
Typy tranzistorů
Tranzistory mají různé tvary a druhy. Většina elektroniky používá dva hlavní typy. Každý typ plní specifickou funkci. Seznámení se s nimi vám pomůže pochopit, jak zařízení fungují.
BJT
Jedním z hlavních typů je bipolární tranzistorLidé tomu zkráceně říkají BJT. Tento tranzistor využívá elektrony a díry k pohybu proudu. Ovládáte ho vysláním malého proudu do báze. BJT jsou dobré pro zesílení slabých signálů. Také pomáhají zapínat a vypínat zařízení.
Zde je tabulka s důležitými vlastnostmi bipolárních tranzistorů:
Charakteristický | Popis |
|---|---|
Proud odpojení kolektoru (ICBO) | Proud v kolektoru, když je tam napětí a emitor je otevřený. |
Mezní proud emitoru (IEBO) | Proud v emitoru, když je přítomno napětí a kolektor je otevřený. |
Zesílení stejnosměrného proudu (hFE) | Kolektorový proud dělený proudem báze, když je emitor uzemněn. |
Saturační napětí kolektor-emitor (VCE(sat)) | Napětí, když je tranzistor za určitých podmínek nasycen. |
Napětí saturace báze-emitor (VBE(sat)) | Napětí mezi bází a emitorem při saturaci za určitých podmínek. |
Přechodová frekvence (fT) | Frekvence, kde je proudový zisk 1 s uzemněným emitorem. |
Výstupní kapacita kolektoru (Cob) | Kapacita kolektoru a báze měřená za určitých podmínek. |
Hlukové číslo (NF) | Poměr signálu k šumu na vstupu a výstupu, zjištěný pomocí vzorce. |
BJT vidíte na mnoha místech:
Zesilovače
Oscilátory
Spínání nízkého napětí
Zesilovač se společným kolektorem (emitorový sledovač)
Zesilovač se společným emitorem
Zesilovač se společnou bází
Spínací obvod
Tip: Pokud chcete vytvořit jednoduchý zesilovač, pravděpodobně použijete bipolární tranzistor.
FET
Druhým hlavním typem je tranzistor řízený polem. Tento tranzistor se ovládá napětím. FET používají pouze jeden druh nosiče náboje. Spotřebovávají méně energie než bipolární tranzistory. Tranzistory řízené polem se nacházejí v digitálních obvodech a logických hradlech.
Zde je tabulka, která porovnává tranzistory s efektem pole a bipolární tranzistory:
vlastnost | FET | BJT |
|---|---|---|
Typ řízení | Řízeno napětím | Řízeno proudem |
Aktuální zisk | Nízké | Vysoký |
Zesílení napětí | Vysoký | Nízké |
Rychlost přepínání | rychlý | Střední |
Spotřeba energie | Nízké | Vysoký |
Teplotní koeficient | Pozitivní | Negativní |
Velikost | Menší | Větší |
vstupní impedance | Vysoký | Nízké |
Aplikace | Nízkonapěťové aplikace | Nízkoproudé aplikace |
Výrobní náklady | Vyšší | Spodní |
Existují dva běžné typy tranzistorů s efektem pole:
Typ FETu | Popis | Typická použití |
|---|---|---|
JFET | Jednoduchý FET s kanálem řízeným hradlem vyrobeným z pn přechodu. | Používá se v zesilovačích a přepínačích kvůli vysoké vstupní impedanci. |
MOSFET | Nejpoužívanější FET s izolovanou hradlou pro řízení s nízkým výkonem. | Nachází se v digitálních obvodech, výkonové elektronice a logických hradlech. |
Poznámka: Tranzistory s polním efektem pomáhají vašim zařízením pracovat rychleji a spotřebovávat méně energie. Najdete je v počítačích, telefonech a autech.
Každý typ tranzistoru má svou vlastní funkci. Některé jsou nejlepší pro zesilování signálů. Jiné jsou vhodné pro rychlé přepínání. Znalost rozdílů vám pomůže vybrat ten správný tranzistor pro váš projekt.
Význam tranzistorů
Vliv na technologii
Tranzistory změnily svět, ve kterém žijete. Tato drobná zařízení zlepšila a usnadnila používání technologií. Když vědci v roce 1947 vyrobili první tranzistor, odstartovalo to mnoho nových nápadů. Před tranzistory lidé používali elektronky. Elektronky byly velké a často se porouchaly. Tranzistory zmenšily elektroniku a zvýšily její spolehlivost.
Tranzistory pomohly vytvořit elektronická zařízení mnohem menší. Díky nim teď máte počítače, chytré telefony a chytré hodinky.
Digitální věk začal s tranzistory. Umožnily nám ukládat a používat velké množství informací.
Tranzistory nahradily elektronky. To zlepšilo komunikaci, zábavu, zdravotnictví a vědu.
Umělá inteligence a internet věcí potřebují tranzistory. Tyto oblasti se neustále rozvíjejí, protože tranzistory se zmenšují a zesilují.
Jak tranzistory změnily svět, můžete vidět na těchto důležitých momentech:
Rok výroby | Milestone | Popis |
|---|---|---|
1947 | První tranzistor | Vědci z Bellových laboratoří sestrojili první funkční tranzistor. |
1955 | Povrchová pasivace | To umožnilo vyrobit mnoho integrovaných obvodů. |
1959 | První MOSFET | Nyní se na jeden čip vešly tisíce tranzistorů. |
1963 | Vynález CMOS | To pomohlo s výrobou počítačových čipů a pamětí pro počítače. |
Každodenní použití
Tranzistory používáte neustále, i když si toho nevšimnete. Jsou uvnitř téměř každé elektronické věci doma nebo ve škole. Zde je několik příkladů:
Počítače mají ve svých čipech miliony nebo miliardy tranzistorů.
Chytré telefony používají tranzistory k rychlému provozu a ukládání obrázků a aplikací.
Televizory potřebují tranzistory, aby zesílily signál a přepínaly kanály.
Rádia používají tranzistory ke zesílení zvuku a pomáhají vám s výběrem stanic.
Digitální fotoaparáty mají ve svých senzorech a čipech tranzistory.
Moderní čipy mohou mít miliardy tranzistorů. Některé nové čipy jich mají přes 60 miliard. Počet tranzistory v CPU mohou to být miliony nebo miliardy, v závislosti na tom, k čemu se používají.
Pokaždé, když píšete textovou zprávu, sledujete video nebo hrajete hru, používáte tranzistory. Tyto malé součástky zajišťují fungování vašich oblíbených zařízení.
Tranzistory vám v mnoha ohledech mění život. Najdete je v každém digitálním zařízení, které používáte.
Tranzistory pomáhají počítačům fungovat rychlým zapínáním a vypínáním.
Zesilují slabé signály, abyste lépe slyšeli hudbu nebo hlasy.
Udržují napájení v mnoha strojích v bezpečí.
Přeměňují energii baterie na energii, kterou můžete využít.
Tranzistory pomáhají zmenšovat a zrychlovat zařízení. Také jim zlepšují funkčnost.
Zahájili digitální věk a pomohli s rozvojem technologií v medicíně, komunikaci a každodenním životě.
Když používáte telefon nebo počítač, pamatujte, že tranzistory mu pomáhají fungovat.
Nejčastější dotazy
Co dělá tranzistor ve vašem telefonu?
Tranzistor umožňuje telefonu zpracovávat informace a ukládat data. Velmi rychle zapíná a vypíná signály. Tranzistory používáte pokaždé, když otevřete aplikaci nebo odešlete zprávu.
Proč tranzistory zmenšují součástky?
Tranzistory zabírají méně místa než staré elektronky. Můžete vejdou se do nich miliardy na čipu. Díky tomu můžete nosit výkonná zařízení v kapse.
Lze najít tranzistory v předmětech denní potřeby?
Ano! Vidíš! tranzistory v počítačích, televizory, rádia a dokonce i hračky. Pomáhají těmto zařízením lépe fungovat a spotřebovávat méně energie.
Jak poznáte, že tranzistor funguje?
Tranzistor můžete otestovat multimetrem. Pokud mezi svorkami vidíte správné napětí, váš tranzistor funguje. Pokud ne, bude ho možná nutné vyměnit.
Jaký je rozdíl mezi BJT a FET?
Typ | Kontrolováno | Běžné použití |
|---|---|---|
BJT |
| Zesilovače |
FET | Napětí | Digitální obvody |
Tip: Pro silné signály zvolíte bipolární tranzistor (BJT). Pro rychlé přepínání zvolíte polový tranzistor (FET).
