Tranzistor je polovodičová súčiastka. Dokáže zosilniť elektronické signály alebo ich zapínať a vypínať. Môžete si ho predstaviť ako vypínač. Malý pohyb dokáže ovládať oveľa väčší tok elektriny. Tranzistory fungujú ako spínače a zosilňovače. Umožňujú vám ovládať veľké prúdy alebo napätia pomocou malého signálu. Tieto malé súčiastky sú všade. Váš telefón a počítač potrebujú na fungovanie miliardy tranzistorov.
procesor | Odhad počtu tranzistorov |
|---|---|
Apple A17 | Približne dvakrát toľko ako Kirin 9000 |
Kirin HiSilicon 9000 | Menej tranzistorov ako Apple A17 |
Čo je tranzistor
Definícia
Tranzistor funguje v elektronike ako malá brána. Pomáha riadiť pohyb elektriny v obvode. Toto zariadenie dokáže zosilniť signály alebo ich zapínať a vypínať. Vo vnútri sú tri vrstvy vyrobené z polovodičového materiálu. Tieto vrstvy sú... nastavené ako PNP alebo NPNStredná vrstva je riadiaca časť. Ak tu zmeníte vstup, zmení sa prúd v ostatných vrstvách.
Tranzistory majú tri hlavné časti:
žiarič
základňa
Kolektor
Malé napätie alebo prúd na báze riadi väčší prúd medzi emitorom a kolektorom. Preto tranzistory sú veľmi dôležité v elektronike. Nájdete ich takmer v každom modernom zariadení.
Tip: Predstavte si tranzistor ako strážcu brány. Malý signál mu hovorí, či má tiecť väčší prúd.
Tranzistory môžu zosilniť signál. Výstupný výkon môže byť oveľa vyšší ako vstupný výkon. Preto rádiá, počítače a telefóny používajú tranzistory.
Tranzistor používa polovodičový materiál.
Má tri svorky na pripojenie k obvodu.
Doping mení polovodič tak, aby tranzistor fungoval správne.
Úloha v obvodoch
Tranzistory vykonávajú mnoho úloh v analógových a digitálnych obvodoch. Môžu zosilniť signály, prepínať prúdy a vytvárať logické brány. V analógových obvodoch tranzistory zosilňujú slabé signály. Napríklad reproduktory používajú tranzistory na zosilnenie hudby. V digitálnych obvodoch tranzistory fungujú ako spínače. Zapínajú a vypínajú signály, aby počítače mohli spracovávať informácie.
Tu je tabuľka znázorňujúca, ako tranzistory fungujú v rôznych typoch obvodov:
Typ obvodu | Primárne úlohy tranzistorov | Príklady aplikácií |
|---|---|---|
Analógový | Rozšírenie | Audio zosilňovače, RF vysielače |
Filtrovanie | Obvody na filtrovanie signálu | |
modulácia | AM/FM prenos | |
Digitálne | Logické brány | A, ALEBO, NIE brány |
Spínacie | Riadiace jednotky motorov, mikroprocesory |
Tranzistory výrazne zmenili elektroniku. Predtým ľudia používali elektrónky. Tieto elektrónky boli veľké a spotrebovávali veľa energie. Keď spoločnosť Bell Labs v roku 1947 vynašla tranzistor, obvody sa zmenšili a fungovali lepšie. Teraz majú integrované obvody veľa tranzistorov pohromade. To umožnilo vznik počítačov, smartfónov a cestovanie vesmírom.
Poznámka: Lunárny modul Apollo 11 mal integrované obvody s tranzistormi. To pomohlo astronautom bezpečne pristáť na Mesiaci.
Tranzistory pomáhajú robiť zariadenia rýchlymi, malými a spotrebúvajúcimi menej energie. Tranzistory sa používajú pri používaní kalkulačky, počúvaní hudby alebo posielaní textových správ.
Ako fungujú tranzistory
Funkcia prepínača
Tranzistory sa nachádzajú vo vnútri mnohých vecí, ktoré používate každý deň. Nevidíte ich, ale sú tam. Fungujú ako drobné spínače vo vašich zariadeniach. Keď stlačíte tlačidlo na telefóne, tranzistory pomáhajú zapínať alebo vypínať zariadenia. Predstavte si tranzistor ako kohútik. Ak otvoríte kohútik, voda tečie. Ak ho zatvoríte, voda sa zastaví. V elektronike tranzistory riadia pohyb prúdu, rovnako ako kohútik riadi vodu.
Tranzistory fungujú ako spínače dvoma hlavnými spôsobmi. Jeden spôsob sa nazýva režim odpojenia. V tomto režime je tranzistor ako otvorený spínač. Medzi kolektorom a emitorom nepreteká žiadny prúd. Druhý spôsob sa nazýva režim nasýtenia. V tomto režime je tranzistor ako zatvorený spínač. Preteká ním najväčší prúd. Táto funkcia zapínania a vypínania umožňuje ovládať elektrické signály v obvodoch.
Tip: Tranzistory sa dokážu spínať veľmi rýchlo a nevydávajú takmer žiadny zvuk. Preto ich nová elektronika používa namiesto starých spínačov.
Tu je niekoľko reálnych situácií, kde tranzistory fungujú ako spínače:
Počítačové procesory ich používajú na veľmi rýchle prepínanie.
Pomáhajú ovládať relé v autách a domácich strojoch.
Tranzistorové spínače sú malé, ľahké a lacné, takže sú takmer v každom zariadení.
Ak privediete malé napätie na základňu NPN tranzistor, zapne sa. Potom môže tiecť prúd. Ak odoberiete napätie, tranzistor sa vypne. To vám umožní ovládať veľké prúdy malými signálmi.
Funkcia zosilňovača
Tranzistory môžu tiež zosilniť slabé signály. Používajú sa ako zosilňovače. Napríklad, keď prehrávate hudbu, tranzistory zosilnia zvuk, aby ste ho počuli. V rádiu tranzistory dostatočne zosilnia signál antény, aby ste ho počuli.
Malý signál vstupuje do bázy alebo hradla tranzistora. Tento malý signál riadi väčší prúd z kolektora do emitora. Výstupný signál je dostatočne silný pre reproduktory alebo slúchadlá. Vidíte to u gitarových pedálov. Jeden tranzistor zosilní slabý zvuk gitary.
Poznámka: Tranzistor potrebuje správne napätie, aby fungoval ako zosilňovač. Toto sa nazýva predpätie. Časť báza-emitor musí mať v prípade kremíkových tranzistorov napätie približne 0.6 V až 0.7 V. Napätie kolektor-emitor musí byť dostatočne vysoké, aby sa signál mohol pohybovať hore a dole.
Tu je tabuľka, ktorá zobrazuje rozsah zosilnenia pre zosilňovač so spoločným emitorom:
Typ zosilnenia | Minimálny zisk | Maximálny zisk |
|---|---|---|
Spoločný zosilňovač žiariča | -5.32 | -218 |
Tranzistory nájdete v audio zariadeniach, kde zosilňujú signály mikrofónu bez pridania šumu. Pomáhajú tiež s ovládaním tónov, čo umožňuje meniť basy, stredy a výšky.
Kontrola prúdu
Tranzistory vám pomáhajú riadiť množstvo prúdu pretekajúceho v obvode. Používajú sa na riadenie prúdu medzi rôznymi časťami zariadenia. Každý tranzistor má tri svorky. Pre bipolárny tranzistor (BJT) sú to emitor, báza a kolektor. Pre FET sú to zdroj, hradlo a odtok.
Tu je postup, ako tranzistory riadia prúd a napätie:
Do bázy BJT posielate malý prúd alebo do brány FETu napätie.
Tento malý vstup riadi oveľa väčší prúd z kolektora do emitora alebo z odtoku do zdroja.
Tranzistor môžete zapnúť alebo vypnúť zmenou vstupu, rovnako ako otočením kohútika na ovládanie vody.
Tip: Prepojenie medzi bázovým prúdom a kolektorovým prúdom v bipolárnom tranzistore (BJT) je dôležité. Malý bázový prúd môže riadiť oveľa väčší kolektorový prúd. Toto sa nazýva zosilnenie a ukazuje to, ako tranzistory riadia signály.
Tranzistory používajú na svoju prácu polovodičový materiál. Polovodiče umožňujú veľmi dobre regulovať napätie a prúd. Vidíte to v počítačoch, telefónoch a dokonca aj vo vesmírnych prístrojoch.
Pomocou tranzistorov môžete ovládať napätie a prúd mnohými spôsobmi. Môžete prepínať signály, zosilňovať ich alebo riadiť výkon v obvode. Vďaka tomu sú tranzistory hlavnými súčasťami modernej elektroniky.
Časti tranzistorov
Kľúčové komponenty
Každý tranzistor má tri hlavné častiKaždá časť robí niečo dôležité. Tieto časti spolupracujú na prenose elektriny v zariadeniach.
Zložka | Popis |
|---|---|
žiarič | Vysiela elektróny, má veľa dopingu, je vyrobený z medi alebo hliníka. |
základňa | Riadi tok, má málo dopovania, umožňuje elektrónom pohyb z emitora do kolektora. |
Kolektor | Zbiera elektróny, je väčší ako emitor a báza, má určitý doping, vyrobený z kremíka alebo hliníka. |
Emitor vydáva elektróny alebo diery. Báza je tenká a riadi tok. Cez bázu môže prejsť len niekoľko nosičov náboja. Kolektor prijíma elektróny alebo diery z emitora. Veľkosť a materiál každej časti ovplyvňujú fungovanie tranzistora. Keď použijete tranzistor ako spínač, báza rozhoduje o tom, či sa prúd pohybuje z emitora do kolektora. Pri zosilňovači malý signál na báze vytvára väčší signál na kolektore.
Tip: Spôsob, akým tieto súčiastky nastavíte a z čoho sú vyrobené, určuje, či tranzistor funguje ako spínač alebo zosilňovač.
Polovodičový materiál
Tranzistory používajú špeciálne materiály nazývané polovodiče. Tieto materiály pomáhajú riadiť elektrinu. Kremík je najbežnejší polovodič. Kremík nájdete takmer v každom elektronickom zariadení, pretože je lacný a dobre funguje.
Tu sú niektoré materiály používané na výrobu tranzistorov:
Germánium sa prvýkrát používalo v polovodičoch.
Kremík sa stal populárnym v 50. rokoch 20. storočia, pretože sa ľahko nachádza a lepšie funguje.
Arzenid gália sa používa pre rýchlu elektroniku, ale je ťažké ho vyrobiť.
Kremík je dobrý, pretože odoláva teplu a ľahko sa získava. Germánium pomáhalo pri skorých tranzistoroch, ale ľahko sa taví a nie je stabilné. Arzenid gália je lepší pre veľmi rýchle obvody, ako sú tie v satelitoch alebo vysielačoch mobilných signálov.
Materiál, ktorý si vyberiete, ovplyvňuje rýchlosť a kvalitu fungovania vášho tranzistora. Materiály s vysokou mobilitou umožňujú rýchly pohyb náboja, takže zariadenia bežia rýchlejšie. Niektoré nové materiály, ako napríklad magnetické polovodiče, dokážu dokonca ukladať pamäť vo vnútri tranzistora.
Poznámka: Druh polovodiča, ktorý si vyberiete, môže zariadenia zrýchliť, zmenšiť a zosilniť.
Typy tranzistorov
Tranzistory majú rôzne tvary a druhy. Väčšina elektroniky používa dva hlavné typy. Každý typ vykonáva špecifickú funkciu. Ich oboznámenie sa s nimi vám pomôže pochopiť, ako zariadenia fungujú.
BJT
Jeden hlavný typ je bipolárny tranzistorĽudia to skrátene nazývajú BJT. Tento tranzistor využíva elektróny a diery na pohyb prúdu. Ovládate ho odoslaním malého prúdu do bázy. BJT sú dobré na zosilnenie slabých signálov. Tiež pomáhajú zapínať a vypínať zariadenia.
Tu je tabuľka s dôležitými vlastnosťami bipolárnych tranzistorov:
charakteristický | Popis |
|---|---|
Medzný prúd kolektora (ICBO) | Prúd v kolektore, keď je tam napätie a emitor je otvorený. |
Medzný prúd emitora (IEBO) | Prúd v emitore, keď je tam napätie a kolektor je otvorený. |
Zosilnenie jednosmerného prúdu (hFE) | Kolektorový prúd delený bázovým prúdom, keď je emitor uzemnený. |
Napätie saturácie kolektor-emitor (VCE(sat)) | Napätie, keď je tranzistor za určitých podmienok nasýtený. |
Napätie saturácie medzi bázou a emitorom (VBE(sat)) | Napätie medzi bázou a emitorom pri saturácii za určitých podmienok. |
Prechodová frekvencia (fT) | Frekvencia, kde je prúdový zisk 1 s uzemneným emitorom. |
Výstupná kapacita kolektora (Cob) | Kapacita kolektora a bázy meraná za určitých podmienok. |
Hlukové číslo (NF) | Pomer signálu k šumu na vstupe a výstupe, určený vzorcom. |
BJT vidíte na mnohých miestach:
zosilňovače
Oscilátory
Spínanie nízkeho napätia
Zosilňovač so spoločným kolektorom (emitorový sledovač)
Zosilňovač so spoločným emitorom
Zosilňovač so spoločnou bázou
Spínací obvod
Tip: Ak chcete vytvoriť jednoduchý zosilňovač, pravdepodobne použijete bipolárny tranzistor.
FET
Ďalším hlavným typom je tranzistor riadený poľom. Tento tranzistor sa ovláda napätím. FET používajú iba jeden druh nosiča náboja. Spotrebúvajú menej energie ako bipolárne tranzistory. Tranzistory riadené poľom sa nachádzajú v digitálnych obvodoch a logických bránach.
Tu je tabuľka, ktorá porovnáva tranzistory s poľným efektom a bipolárne tranzistory:
Vlastnosti | FET | BJT |
|---|---|---|
Typ riadenia | Napäťovo riadené | Riadený prúd |
Aktuálny zisk | Nízky | vysoký |
Zisk napätia | vysoký | Nízky |
Rýchlosť prepínania | rýchlo | stredná |
Spotreba energie | Nízky | vysoký |
Teplotný koeficient | Pozitívne | Negatívny |
Veľkosť | Menšie | Väčšie |
vstupná impedancia | vysoký | Nízky |
použitie | Nízkonapäťové aplikácie | Aplikácie s nízkym prúdom |
Výrobné náklady | Vyššia | Spodný |
Existujú dva bežné typy tranzistorov s poľným efektom:
Typ FET | Popis | Typické použitia |
|---|---|---|
JFET | Jednoduchý FET s kanálom riadeným hradlom vyrobeným z pn prechodu. | Používa sa v zosilňovačoch a prepínačoch kvôli vysokej vstupnej impedancii. |
MOSFET | Najpoužívanejší FET s izolovanou hradlom pre riadenie nízkeho výkonu. | Nachádza sa v digitálnych obvodoch, výkonovej elektronike a logických bránach. |
Poznámka: Tranzistory s poľným efektom pomáhajú vašim zariadeniam pracovať rýchlejšie a spotrebúvajú menej energie. Nájdete ich v počítačoch, telefónoch a autách.
Každý typ tranzistora má svoju vlastnú úlohu. Niektoré sú najlepšie na zosilnenie signálov. Iné sú vhodné na rýchle prepínanie. Poznanie rozdielov vám pomôže vybrať si ten správny tranzistor pre váš projekt.
Dôležitosť tranzistorov
Vplyv na technológiu
Tranzistory zmenili svet, v ktorom žijete. Tieto drobné zariadenia zlepšili a zjednodušili používanie technológií. Keď vedci v roku 1947 vyrobili prvý tranzistor, začalo to mnoho nových nápadov. Pred tranzistormi ľudia používali elektrónky. Elektrónky boli veľké a často sa kazili. Tranzistory zmenšili elektroniku a stali ju spoľahlivejšou.
Tranzistory pomohli vytvoriť elektronické zariadenia oveľa menšie. Vďaka nim máte teraz počítače, smartfóny a inteligentné hodinky.
Digitálny vek sa začal s tranzistormi. Umožnili nám ukladať a používať množstvo informácií.
Tranzistory nahradili elektrónky. To zlepšilo komunikáciu, zábavu, zdravotníctvo a vedu.
Umelá inteligencia a internet vecí potrebujú tranzistory. Tieto oblasti neustále rastú, keďže tranzistory sa zmenšujú a sú silnejšie.
Ako tranzistory zmenili veci, môžete vidieť na týchto dôležitých momentoch:
rok | Medzník | Popis |
|---|---|---|
1947 | Prvý tranzistor | Vedci z Bell Labs zostrojili prvý funkčný tranzistor. |
1955 | Povrchová pasivácia | Vďaka tomu bolo možné vyrobiť množstvo integrovaných obvodov. |
1959 | Prvý MOSFET | Teraz sa na jeden čip zmestia tisíce tranzistorov. |
1963 | Vynález CMOS | To pomohlo pri výrobe počítačových čipov a pamätí pre počítače. |
Každodenné použitie
Tranzistory používate stále, aj keď si to nevšimnete. Sú vo vnútri takmer každej elektronickej veci doma alebo v škole. Tu je niekoľko príkladov:
Počítače majú vo svojich čipoch milióny alebo miliardy tranzistorov.
Smartfóny používajú tranzistory na rýchlu prácu a ukladanie obrázkov a aplikácií.
Televízory potrebujú tranzistory na zosilnenie signálu a prepínanie kanálov.
Rádiá používajú tranzistory na zosilnenie zvuku a na pomoc pri výbere staníc.
Digitálne fotoaparáty majú vo svojich senzoroch a čipoch tranzistory.
Moderné čipy môžu mať miliardy tranzistorov. Niektoré nové čipy ich majú viac ako 60 miliárd. Počet tranzistory v CPU môžu to byť milióny alebo miliardy, v závislosti od toho, na čo sa používajú.
Vždy, keď píšete textovú správu, pozeráte video alebo hráte hru, používate tranzistory. Tieto malé súčiastky umožňujú fungovanie vašich obľúbených zariadení.
Tranzistory menia váš život mnohými spôsobmi. Nájdete ich v každom digitálnom zariadení, ktoré používate.
Tranzistory pomáhajú počítačom pracovať rýchlym zapínaním a vypínaním.
Zosilňujú slabé signály, aby ste lepšie počuli hudbu alebo hlasy.
Udržiavajú energiu v mnohých strojoch bezpečne.
Premieňajú energiu z batérie na energiu, ktorú môžete využiť.
Tranzistory pomáhajú zmenšovať a zrýchľovať zariadenia. Tiež vďaka nim lepšie fungujú.
Začali digitálny vek a pomohli technológiám rásť v medicíne, komunikácii a každodennom živote.
Keď používate telefón alebo počítač, pamätajte, že tranzistory mu pomáhajú fungovať.
Často kladené otázky
Čo robí tranzistor vo vašom telefóne?
Tranzistor umožňuje vášmu telefónu spracovávať informácie a ukladať dáta. Veľmi rýchlo zapína a vypína signály. Tranzistory používate vždy, keď otvoríte aplikáciu alebo odošlete správu.
Prečo tranzistory zmenšujú zariadenia?
Tranzistory zaberajú menej miesta ako staré elektrónky. Môžete zmestia sa do nich miliardy na čipe. Vďaka tomu môžete nosiť výkonné zariadenia vo vrecku.
Nájdete tranzistory v predmetoch každodennej potreby?
Áno! Vidíš! tranzistory v počítačoch, televízory, rádiá a dokonca aj hračky. Pomáhajú týmto zariadeniam fungovať lepšie a spotrebúvať menej energie.
Ako zistíte, či tranzistor funguje?
Tranzistor môžete otestovať multimetrom. Ak medzi svorkami vidíte správne napätie, váš tranzistor funguje. Ak nie, možno ho budete musieť vymeniť.
Aký je rozdiel medzi BJT a FET?
Typ | Ovládané By | Bežné použitie |
|---|---|---|
BJT | prúd | zosilňovače |
FET | Napätie | Digitálne obvody |
Tip: Pre silné signály si vyberiete BJT. Pre rýchle prepínanie si vyberiete FET.
