Elektroniikkapaja – Osa3

Kolmannen elektroniikkapajan teema oli vahvasti yhden komponentin ympärillä: transistorit. Teimme kokeita vastuksella ja hehkulampulla havainnollistaaksemme transistorin toimintaa vahvistimena tai kytkimenä. Saimme melko suurta virtaa tarvitsevan hehkulampun valaisemaan transistorin avulla, ohjaamalla transistoria pienellä virralla erisuuruisten vastusten kautta.

Transistori – Wikipedia

Transistorit ovat keskeisessä osassa modernia elektroniikkaa ja niitä löytyy käytännössä kaikista sähköisistä järjestelmistä, sen keksiminen mahdollisti valmistettavien tuotteiden pienentymisen ja halventumisen. Transistorin keksiminen on listattuna IEEE:n elektroniikan saavutuksissa ja sen keksijöille luovutettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1956.[2]

Ylläolevasta lainauksesta voimme päätellä, että transistori on tärkeä komponentti joten on perusteltua syventyä siihen hieman perusteellisemmin miten transistori toimii. Transistorista lisää alempana. Suosittelen myös katsomaan englanninkielisen videopätkän jossa esitellään elektronitasolla BJT-liitostransistorin toiminnallisuutta. Minulle tästä oli hyötyä, mutta vasta kolmannella kerralla voin sanoa ymmärtäväni miten kyseinen transistori oikeasti toimii. Katso video täältä. Tähän väliin kuitenkin vastataan kysymykseen mitä transistorilla voi tehdä sekä juttua viimekerran rakentelusta.

Rakentelu elektroniikkapajassa

Transistori voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä.
Tällä kertaa havainnollistimme miten transistori toimi kytkimenä.
Kohteena oli ylläolevassa kuvassa oleva lamppu joka toimii 8V jännitteellä ja 0,6A virralla. Käyttöjännittenä meillä oli 9V. Käytimme NPN-transistoria BD139, joka kestää lampun vaatiman virran. Transistorien suurimmat sallitut arvot, englanniksi Absolute maximum ratings, löytyvät kunkin transistorityypin datalehdestä. Datalehden saa useimmiten transistorien valmistajan tai komponenttien myyjän verkkosivuilta. Tyypin BD139 maksimi kollektorivirta Ic MAX on 1,5 A joten sen virrankesto riittää oikein hyvin. Samoin sen jännitekesto:
BD139:n kollektorin ja emitterin välinen jännite saa olla enintään 80 V.

Piirikaavio

Kytkennässämme havainnollistetaan transistorin vahvistavaa ominaisuutta.
Vastuksen R1 läpi kulkee virta, joka on noin

(9V – 0,6V) / R1

jossa 0,6 V on piitransistoreille ominainen kanta-emitteriliitoksen jännitehäviö. Tämä jännite on varsin tarkasti vakio riippumatta siitä virrasta, joka kanta-emitteriliitoksen läpi kulkee. LED-mittauksessahan havaitsimme punaisen LEDin yli muodostuvan noin 2 V jännitteen.
Kokeilimme eri vastusarvoja nähdäksemme, miten pienellä kantavirralla lamppu vielä valaisee ja toisaalta millä virralla kirkkaus on suunnilleen maksimissaan. Lisäksi mittasimme lampun yli vaikuttavan jännitteen, josta voi halutessaan laskea kulloisenkin kollektorivirran.

Kokeilu 100 ohmin vastuksella tuotti kirkkaan valon, 510 ohmilla lamppu valaisi heikommin ja vielä 1200 ohmilla eli 1,2 kohm vastuksella se valaisi selvästi joskin heikosti. Näistä voidaan laskea kantavirrat vastaavasti ylläolevalla kaavalla. Mittasimme lampun yli jännitteen 4,4V kantavastuksella 100 ohm.

Huomioita kokeiluista

  • Jos mittauksia tehtäisi useita eri kantavastuksen arvoilla ja piirrettäisiin tuloksista (kollektorivirran suhde kantavirtaan) käyrä, huomattaisiin transistorin toiminnan olevan varsin suoraviivainen eli lineaarinen keskikohdaltaan. Esimerkiksi äänitaajuusvahvistimissa transistorien halutaan vahvistavan juuri tällä alueella, jotta äänentoisto olisi mahdollisimman särötöntä.
  • Kantavirtaa pienennettäessä kollektorivirta pienenee myös, kunnes lopulta transistori lakkaisi johtamasta eli menisi estotilaan.
    Kantavirtaa kasvatettaessa paljon suuremmaksi (kuitenkin virrankeston
    rajoissa) transistori tulisi täysin johtavaksi eli menisi kyllästystilaan (engl. saturation).
  • Käytettäessä transistoria kytkimenä sen halutaan nimenomaan olevan vain joko esto- tai kyllästystilassa. Jos transistori toimisi lineaarisella alueellaan kytkintarkoituksessa ollessaan, kuluttaisi se turhaan sähkötehoa ja kuumenisi.
  • Transistorin kantavirtaa eli kannan ja emitterin välistä virtaa rajoitetaan siis kantavastuksella tässä kokeilussa. Kytkintransistorin kantavirtaa rajoittava vastus valitaan ”tarpeeksi suureksi”, jottei kuormiteta liikaa ohjaavaa astetta tai rikota transistoria, ja toisaalta tarpeeksi pieniohmiseksi, jotta transistori saadaan kunnolla johtavaksi (kyllästystilaan).
  • Kantavirran suurinta sallittua arvoa ei tunnu löytyvän transistorien datalehdistä. Valmistajat eivät ilmeisesti katso sen määrittämisen olevan tarpeen. Kantavirta on kuitenkin rajoitettava siten, ettei transistorin suurin sallittu tehohäviö ylity. Koska kollektorivirta on yleensä paljon suurempi kuin kantavirta, muodostuu transistorin tehohäviö pääosin kollektorivirran ja kollektori-emitteri -välin jännitteen tulosta (teho = virta kertaa jännite). Nyrkkisääntönä voisi pitää sitä, ettei transistorin kantavirta olisi suurempi kuin kymmenesosa kollektorivirrasta. Kantavirran kasvattaminenhan ei hyödytä silloin, kun kanta-kollektoriväli on jo täysin johtavassa tilassa.
  • Hyvin nopeasti toimivan transistorikytkimen tapauksessa kyllästystilaan joutuminen hidastaa transistorin palautumista estotilaan. Tätä tarkastelemme lisää digitaalisten piirien yhteydessä.
  • Transistori on siis estotilassa, kun sille ei tuoda kantavirtaa. On kuitenkin järkevää kytkinkäytössä huolehtia siitä, ettei kytkintransistorin kanta ole koskaan ”ilmassa” eli kytkemättömänä, sillä suuren vahvistuksen omaava transistori voi ottaa kantansa kautta häiriösignaaleja ympäristöstä ja kytkeytyä vahingossa päälle tai alkaa värähdellä. Kun transistoria ohjataan ns. logiikkapiireistä, ohjaava piiri yleensä huolehtii tästä (esim. Arduino-mikrokontrolleri). Hyvä tapa on kytkeä NPN-transistorin kannan ja 0-tason väliin suuriohminen vastus (esim. yli 100 kertaa kantavastuksen arvo).
  • Hieman erikoiselta vaikuttava ilmiö kyllästystilassa olevassa transistorissa on se, että kollektori-emitterivälin jännite on pienempi kuin kanta-emitterivälin jännite (joka on siis vakio ja suunnilleen 0,6V) vaikka kanta on kollektorin ja emitterin ”välissä”. Pelkästään Kirchhoffin lakeja tarkastelemalla tämä näyttäisi mahdottomalta

Transistori
Transistori on puolijohdekomponentti. Komponentilla tarkoitetaan osaa, eli elektroninen laite koostuu useasta osasta, komponenteista. Puolijohde viittaa taas tietynlaisiin komponentteihin, joiden käytetyllä valmistusmateriaalilla on erityisiä sähkönjohtavuusominaisuuksia. Nämä materialit ovat tyypiltään kiteisiä, kuten esimerkiksi alkuaineet pii ja germanium tai yhdiste galliumarsenidi. Tässä on hyvä huomata että pii ei itsessään ole sähkönjohtavaa, mutta siitä saadaan valmistusvaiheessa erittäin hyvin sähköäjohtava kun siihen lisätään esim. fosforia (materialista tulee positiivisesti latautunut, +) tai bromia (materiaalista tulee negatiivisesti latautunut, – ).  Transistoreita on yleisesti ottaen kahdentyyppisiä, liitostransistoreita sekä kenttävaikutustransistoreita.

Transistori on kolmeliitoksinen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä.[1]

Liitostransistori (bipolar junction transistor, BJT)

  • Kutsutaan yleisesti vain ”transistoriksi”
  • Pieni kantavirta ohjaa suurta kollektorivirtaa
  • Toiminta lineaarista eli ”suoraviivaista” suurelta osin
  • Käyttö vahvistimena tai kytkimenä
  • Löytyy monille eri virroille ja jännitteille (piensignaali-, teho-)
  • On kahdenlaisia liitostransistoreita, NPN sekä PNP

Molemmissa tyypeissä emitterivirta = kantavirta + kollektorivirta

NPN-tyyppinen liitostransistori (-)

  • Kantavirta menee sisään
  • Kollektorivirta menee sisään
  • Emitterivirta tulee ulos
  • Usein suosituin BJT:n tyyppi

PNP-tyyppinen liitostransistori (+)

  • Emitterivirta menee sisään
  • Kollektorivirta tulee ulos
  • Kantavirta tulee ulos

Kenttävaikutustransistori (field effect transistor, FET)

  • Kutsutaan yleisesti vain ”fetiksi”
  • N-kanava (N-channel, N-type) tai P-kanava
  • Liitoshila- tai eristehilafetti (Junction FET, JFET / IGFET)
  • MOSFET on Metal Oxide Silicon FET, hila eristetty metallioksidilla
  • Hilajännite ohjaa kanavan läpi kulkevaa virtaa
  • Voidaan käyttä kuin jännitteellä säädettävä vastus
  • Löytyy laaja valikoima eri tehoille

Virtavahvistus

  • Kollektorivirta = virtavahvistus kertaa kantavirta
  • Tyypilliset virtavahvistuskertoimet ovat suunnilleen välillä 20…600

Ympäryskomponentit

  • Transistorin toimintapisteen asettamiseen
  • Usein käytetään vastuksia
  • Voivat olla myös vakiovirtalähteitä
  • Kondensaattoreita voidaan käyttää asteiden erottamiseen toisistaan

Useamman transistorin yhdistelmät (mikropiirien sisällä)

  • NPN ja PNP ns. vuorovaihevahvistimena, myös erilliskomponenteista
  • Totemipaalu (totem pole) ”vanhanaikaisissa” logiikkapiireissä
  • Vakiovirtalähde (constant current source)
  • Virtapeili (current mirror)
  • Long-tailed pair (differentiaalipari tuloasteessa)

Vastaa