Polarizarea tranzistoarelor.

Polarizarea tranzistoarelor - abstract articolSalut !

Înţelegerea principiilor de funcţionare ale tranzistoarelor presupune cunoaşterea multor noţiuni de chimie şi fizică moleculară, dintre care pe majoritatea ţi le-am prezentat deja aici. Totuşi, destul de puţine dintre aceste noţiuni îţi sunt de folos atunci când vrei să lucrezi în mod practic cu tranzistoare. Pentru a putea pune un tranzistor la treabă trebuie să ştii cum anume trebuie să-l conectezi într-un circuit astfel încât să funcţioneze corect. În mod curent, această operaţie se numeşte polarizare. Ne vom ocupa doar de polarizarea tranzistoarelor bipolare, JFET şi MOS-FET, deoarece sunt cele mai întâlnite. Acestea fiind zise, subiectele de astăzi sunt:

  • Polarizarea tranzistoarelor bipolare.
  • Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă joncţiune (JFET).
  • Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET).

Reluând definiţia din articolul trecut, putem spune că tranzistorul este o componentă electrică activă care ne permite să controlăm curgerea unui curent electric prin intermediul unui semnal electric de comandă. Aşa cum spuneam şi în introducere, aplicarea unor tensiuni electrice pe terminalele unui tranzistor se numeşte polarizare. Polarizarea tranzistoarelor poate fi făcută în multe moduri, chiar şi în moduri inutile. De aceea, în practică, prin polarizarea tranzistoarelor se înţelege că respectivele tensiuni electrice sunt aplicate într-un mod util (în care semnalul aplicat la intrarea tranzistorului controlează curentul de la ieşirea acestuia). Aşadar, pentru a putea pune în funcţiune un tranzistor, trebuie să-l conectăm într-un circuit de intrare (prin care îi aplicăm semnalul de comandă) şi într-un circuit de ieşire (prin care circulă curentul pe care ne propunem să-l controlăm). Fiecare din aceste două circuite conţine două surse de tensiune pe care în figurile de mai jos le voi prescurta cu S.C.in şi S.C.out.

Polarizarea tranzistoarelor bipolare.

În articolul trecut spuneam că fiecare tranzistor bipolar are câte 3 terminale (sau dacă vrei – picioare), numite, Bază (B), Emitor (E) şi Colector (C). Tot în articolul trecut mai povesteam că tranzistoarele bipolare sunt de două tipuri: NPN şi PNP . Din punct de vedere practic, singura diferenţă între aceste tipuri este sensul în care se face polarizarea tranzistoarelor, şi anume:

  • tranzistorul NPN, poate fi folosit doar dacă baza şi colectorul sunt polarizate cu tensiuni pozitive (de la borne pozitive) iar emitorul este polarizat cu tensiune negativă (de o bornă negativă). Cu alte cuvinte, emitorul unui tranzistor NPN este mereu conectat la borna – (minus), iar baza şi colectorul la borna sau bornele + (plus);
  • tranzistorul PNP, poate fi folosit doar dacă baza şi colectorul sunt polarizate cu tensiuni negative (de la borne negative) iar emitorul este polarizat cu tensiune pozitivă (de o bornă pozitivă). Cu alte cuvinte, emitorul unui tranzistor PNP este mereu conectat la borna + (plus), iar baza şi colectorul la borna sau bornele – (minus).

Simbolizarea şi polarizarea tranzistoarelor bipolare este prezentată în partea de sus a figurii 1. Funcţionarea tranzistorului bipolar este simplă: semnalul de comandă se aplică între bază şi emitor, iar semnalul de ieşire este reprezentat de curentul care circulă între colector şi emitor. Cu cât curentul electric care circulă între  bază şi emitor este mai mare, cu atât mai mare este şi curentul care curge între colector şi emitor. Aceşti doi curenţi se mai numesc:

  • curent de comandă sau curent de bază (IB);
  • curent de ieşire sau curent de colector (IC).

Diferenţa dintre intensităţile celor doi curenţi (adica IC/IB) se numeşte factorul de amplificare al tranzistorului, şi se notează cu β (beta). Altfel spus, acest factor arată cât de sensibil este curentul de colector faţă de curentul de bază. Valoarea acestui factor variază de la 5-10 în cazul tranzistoarelor de putere şi poate ajunge chiar şi până la 1000 în cazul tranzistoarelor de mică putere.

Polarizarea tranzistoarelor bipolare

Figura 1. Polarizarea tranzistoarelor bipolare.

Pentru a comanda un tranzistor bipolar, trebuie să ai grijă ca tensiunea aplicată între bază şi emitor să fie cel puţin egală cu tensiunea de deschidere a unei joncţiuni PN. Această tensiune de deschidere variază în funcţie de materialele din care este făcut tranzistorul: pentru siliciu este de ~0,65V, pentru germaniu ~0,3V etc. Având în vedere că în ziua de azi foarte rar găseşti tranzistoare făcute din altceva decât din siliciu, putem concluziona că: pentru a comanda un tranzistor bipolar, trebuie să-i aplici între bază şi emitor o tensiune de cel puţin ~0,65V.

În interiorul tranzistorului bipolar, între bază şi emitor se află o joncţiune PN. Dacă ai citit articolul despre joncţiunea PN, ştii că aceasta se comportă ca o supapă: dacă îi aplici o tensiune mai mică decât tensiunea de deschidere, nu se întâmplă nimic (rămâne închisă). Dacă însă îi aplici o tensiune aproximativ egală cu cea de deschidere, “supapa” se deschide şi începe să permită trecerea curentului electric. Dacă mai departe, încerci să-i bagi o tensiune şi mai mare decât tensiunea de deschidere … nu vei reuşi, pentru că “supapa” se va deschide şi mai tare şi va elibera astfel tensiunea suplimentară pe care încerci s-o aplici. De aici rezultă că între bază şi emitor (în polarizare corespunzătoare):

  • poţi să aplici orice tensiune între 0 şi ~0,65V fără a reuşi să creezi un curent electric IB şi deci fără să reuşeşti să obţii vreun curent de ieşire (tranzistorul este blocat, închis);
  • dacă bagi ~0,65V va începe să apară un curent de ieşire (tranzistorul este parţial deschis);
  • dacă încerci să bagi peste ~0,65V, vei deschide şi mai tare “supapa” dintre bază şi emitor fapt care va elibera orice tensiune electrică suplimentară pe care ai încerca s-o aplici. Deschiderea “supapei” înseamnă că vom obţine o creştere a lui IB şi implicit o creştere a lui IC (tranzistorul se deschide şi mai mult);
  • dacă vei băga un curent de bază suficient de mare, la un moment dat rezistenţa electrică dintre colector şi emitor va scade practic la zero (tranzistorul se deschide complet, este saturat). În acest caz, intensitatea lui IC va depinde doar de cât de puternică este S.C.out.

Din cele povestite mai sus rezultă că tranzistorul bipolar este un dispozitiv comandat în curent, adică IC depinde doar de IB, în sensul că IC este proporţional cu IB. Acest fapt este prezentat şi în graficele din partea de jos a figurii 1 unde se observă că indiferent dacă IB este zero, creşte sau scade, exact la fel face şi IC. Pentru mai multe detalii de ordin teoretic despre polarizarea tranzistoarelor bipolare, poţi arunca o privire aici.

Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă joncţiune (JFET).

Din punct de vedere al polarizării, JFET-ul (Junction Field Electric Transistor) funcţionează invers faţă de tranzistorul bipolar: dacă nu-i bagi semnal de comandă în circuitul de intrare, intensitatea curentului electric care circulă prin circuitul de ieşire este maximă. Când însă îi bagi semnal de intrare, curgerea curentul electric din circuitul de ieşire începe să fie îngreunată sau chiar blocată (dacă semnalul de intrare este suficient de puternic). Asta înseamnă că polarizarea tranzistoarelor JFET presupune ca semnalul de comandă al acestuia să aibă o polaritate inversă faţă de polaritatea aplicată în circuitul de ieşire.

La fel ca şi în cazul tranzistorului bipolar, terminalele JFET-ului sunt tot 3 la număr însă poartă denumiri diferite, şi anume: Poartă (P), Sursă (S) şi Drenă (D). Aşa cum îţi vei da seama şi pe parcurs, din punct de vedere al utilizării practice, poarta, sursa şi drena unui JFET au aceleaşi roluri ca şi baza, emitorul şi colectorul unui tranzistor bipolar.

Dacă tranzistoarele bipolare pot fi de tip NPN sau PNP, JFET-urile pot fi cu canal de tip N sau cu canal de tip P. Din punct de vedere al utilizării practice, diferenţele dintre ele sunt:

  • JFET-ul cu canal N, poate fi folosit doar dacă drena este legată la borna pozitivă a sursei de tensiune din circuitul de ieşire, iar sursa la borna negativă a acestuia. Semnalul de comandă trebuie aplicat cu borna negativă pe poartă şi cu borna pozitivă pe sursă;
  • JFET-ul cu canal P, poate fi folosit doar dacă drena este legată la borna negativă a sursei de tensiune din circuitul de ieşire, iar sursa la borna pozitivă a acestuia. Semnalul de comandă trebuie aplicat cu borna pozitivă pe poartă şi cu borna negativă pe sursă.

Simbolizarea şi polarizarea tranzistoarelor JFET este prezentată în partea de sus a figurii 2. Pentru o funcţionare corectă a JFET-ului, semnalul de comandă se aplică între poartă şi sursă, iar semnalul de ieşire este reprezentat de curentul care circulă între drenă şi sursă. Cu cât tensiunea electrică aplicată între poartă şi sursă este mai mare, cu atât curentul care curge între colector şi emitor este mai mic. Aceşti doi parametri se mai numesc:

  • tensiune de comandă sau tensiune de poartă (UPS);
  • curent de ieşire sau curent de drenă (ID).

Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă joncţiune (JFET)

Figura 2. Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă joncţiune (JFET). Imax reprezintă intensitatea maximă a curentului pe care îl poate crea S.C.out.

În funcţie de modul de fabricaţie, JFET-urile pot fi construite să funcţioneze cu semnale de intrare mai mici sau mai mari. În general, pentru a comanda un JFET ai nevoie de tensiuni de intrare (UPS) cuprinse între circa -0,3 şi -10V (semnul “-” din faţa valorilor tensiunii de intrare arată ca aceasta trebuie aplicată cu o polaritate inversă faţă de tensiunea aplicată între sursă şi drenă). Cu alte cuvinte, în cazul celor mai multe JFET-uri, daca între poartă şi sursă aplici:

  • între 0 şi -0,3V, curentul de drenă nu este cu nimic deranjat de semnalul tău de comandă (JFET-ul este complet deschis, saturat);
  • între -0,3V şi -10V, intensitatea curentului de drenă va începe să scadă (JFET-ul devine parţial închis);
  • peste -10V, trecerea curentului electric între sursă şi drenă este complet blocată (JFET-ul devine complet închis, blocat).

În concluzie, JFET-ul este un dispozitiv comandat în tensiune, adică ID depinde doar de UPS, în sensul că ID este invers proporţional cu UPS. Acest fapt este prezentat şi în graficele din partea de jos a figurii 2 unde se observă că indiferent dacă UPS este zero, creşte sau scade, ID se comportă exact invers.

Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET).

Logica de funcţionare a MOS-FET-ului (Metal Oxid Semiconductor Field Efect Transistor) este similară cu cea a tranzistorului bipolar: curentul din circuitul de ieşire este proporţional cu intensitatea semnalului de intrare. MOS-FET-ul se aseamănă însă şi cu JFET-ul prin faptul că terminalele lor poartă aceleaşi denumiri (poartă, sursă şi drenă).

MOS-FET-urile pot fi cu canal de tip N sau cu canal de tip P. Din punct de vedere al utilizării practice, diferenţele dintre ele sunt:

  • MOS-FET-ul cu canal N, poate fi folosit doar dacă drena este legată la borna pozitivă a sursei de tensiune din circuitul de ieşire, iar sursa la borna negativă a acestuia. Semnalul de comandă trebuie aplicat cu borna pozitivă pe poartă şi cu borna negativă pe sursă;
  • MOS-FET-ul cu canal P, poate fi folosit doar dacă drena este legată la borna negativă a sursei de tensiune din circuitul de ieşire, iar sursa la borna pozitivă a acestuia. Semnalul de comandă trebuie aplicat cu borna negativă pe poartă şi cu borna pozitivă pe sursă.

Simbolizarea şi polarizarea tranzistoarelor MOS-FET este prezentată în partea de sus a figurii 3.

Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET)

Figura 3. Polarizarea tranzistoarelor cu efect de câmp cu poartă izolată (MOS-FET)

La fel ca şi în cazul JFET-urilor, MOS-FET-urile pot accepta semnale de intrare de diferite intensităţi după cum urmează:

  • sub 4 – 5 V, între drenă şi sursă nu trece nici un curent electric (MOS-FET-ul este blocat, închis);
  • între 5 şi 8 V intensitatea curentului de drenă va începe să crească (MOS-FET-ul devine parţial deschis);
  • peste 8 V rezistenţa dintre sursă si drenă se scade practic la zero (MOS-FET-ul devine complet deschis, saturat).

În concluzie, MOS-FET-ul este un dispozitiv comandat în tensiune, adică ID depinde doar de UPS, în sensul că ID este proporţional cu UPS. Acest fapt este prezentat şi în graficele din partea de jos a figurii 3 unde se observă că indiferent dacă UPS este zero, creşte sau scade, la fel face şi ID.

Analizând modul în care se realizează polarizarea tranzistoarelor bipolare, JFET şi MOS-FET poţi ajunge la concluzia, că la urma urmei, toate fac acelaşi lucru. De aceea te-ai putea întreba “de ce în practică nu se foloseşte un singur tip ?”. În cea mai mare parte, răspunsul este dat de avantajele şi dezavantajele fiecăruia.

Tranzistorul bipolar

  • Avantaje:
    • preţ în general mai redus decât JFET-ul şi MOS-FET-ul;
    • existenţa unei game foarte variate de modele;
    • lucrează bine la frecvenţe înalte (factorul de amplificare nu scade prea mult la frecvenţe înalte).
  • Dezavantaje:
    • mai ales în cazul tranzistoarelor de putere, puterea electrică cerută pentru semnalul de comandă este mare;
    • exemplarele de mare putere sunt, în general, mai scumpe scumpe decât în cazul JFET-ului şi MOS-FET-ului.

JFET-ul

  • Avantaje:
    • sunt comandate în tensiune, deci puterea electrică cerută de semnalul de comandă este foarte mică;
    • pentru unele modele, polarizarea tranzistoarelor JFET se poate face şi în curent alternativ.
  • Dezavantaje:
    • numărul de modele disponibile este redus;
    • preţ în general mai ridicat decât în cazul tranzistoarelor bipolare;
    • necesită o tensiune de comandă mai mare (-0,3 … -10V) decât în cazul tranzitorului bipolar (0,65V);
    • sensibilitate ridicată la câmpuri electrice (în cazul în care nu se iau măsuri corespunzătoare, un JFET se poate defecta prin simplul contact al porţii cu obiecte încărcate electrostatic).

MOS-FET-ul

  • Avantaje:
    • sunt comandate în tensiune, deci puterea electrică cerută de semnalul de comandă este foarte mică;
    • modelele de putere au preţ mai redus decât în cazul tranzistoarelor bipolare.
  • Dezavantaje:
    • numărul de modele disponibile este redus;
    • preţ în general mai ridicat decât în cazul tranzistoarelor bipolare;
    • necesită o tensiune de comandă mai mare (0,3 … 8V) decât în cazul tranzitorului bipolar (0,65V)
    • sensibilitate ridicată la câmpuri electrice (în cazul în care nu se iau măsuri corespunzătoare, un MOS-FET se poate defecta prin simplul contact al porţii cu obiecte încărcate electrostatic).

Acestea ar fi în principal avantajele şi dezavantajele principalelor tipuri de tranzistoare. Cunoscând modul în care se realizează polarizarea tranzistoarelor, automat ştii cum funcţionează acestea şi implicit ai cel puţin minimul de cunoştinţe pentru a putea înţelege, dezvolta sau depana montaje electronice cu tranzistoare. Sper să fi înţeles tot ce am explicat în acest articol, pentru că în curând vom începe să vorbim şi despre scheme electrice cu tranzistoare. Dacă totuşi ai nelămuriri, ştii unde mă găseşti :).

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian

15 thoughts on “Polarizarea tranzistoarelor.

  1. ma poate ajuta cineva cu schema electrica de la atajul final de la o alarma auto care are in colectorul etajului final sirena ?

  2. Ma poate ajuta cineva cu valoare rezistentelor de polarizare la tranzistorul final de la o alarma auto care are in colector sirena ? Eventual schema etajului final ?

  3. Salut Ciprian, multumesc de articol, ma ajuta sa inteleg putin cate putin electronica 🙂 Am vrut sa atentionez ca ai scris:”Diferenţa dintre intensităţile celor doi curenţi (adica IC/IB) se numeşte factorul de amplificare al tranzistorului, şi se notează cu β (beta)”, unde de fapt, cred eu, ai vrut sa scrii “Raportul dintre…”. Scuze daca nu e la tema. Salutari din RM

  4. Sal Cipri ! cer scuze ca acest comentariu nu este la subiect ..Am vazut testele de admitere la fac de electronica Sunt simple! Am facut din ele ca am cam uitat din matem de liceu insa cu internetul e simplu acum sa mi le reamintesc Ar trebui totusi sa dai la electro ca timpul trece si anii aceea mai nou se contabilizeaza si la vechimea in munca daca faci la zi …si inca ceva; mi-a trimis chinezul placa Atmega si mi-am luat si un osciloscop digital de la ei !

  5. ■JFET-ul cu canal N, poate fi folosit doar dacă drena este legată la borna pozitivă a sursei de tensiune din circuitul de ieşire, iar sursa la borna negativă a acestuia. Semnalul de comandă trebuie aplicat cu borna negativă pe poartă şi cu borna pozitivă pe sursă;
    Pe sursa si poarta avem semnal negativ?

  6. Buna.Nu inteleg un lucru.Cum poti polariza de exemplu un tranzistor pnp cu a tensiune negativa?Sa inteleg ca daca avem un generator din borna – iese o tensiune negativa si din borna + o tensiune pozitiva?

    • Ce nu intelegi mai exact ?

      Printr-un tranzistor PNP curentii trec in sens invers fata de curentii printr-un NPN. De aici logic ca si polarizarea se face cu tensiune negativa.

  7. Salut! La polarizarea tranzistoarelor bipolare NPN ai spus ca baza si colectorul sunt polarizate cu tensiune +, iar emitorul este polarizat cu tensiune -. Dar pentru a trece semnalul de comanda nu ar trebui ca bariera de potential sa se anuleze? Stiind ca baza este un material semiconductor P, si emitorul este un semiconductor N, nu ar trebui polarizat direct? De la Emitor (+) borna pozitiva, iar baza la borna negativa (-).
    O zi buna!

    • Salutare !

      In cazul unui NPN, cu cat ai o tensiune pe baza mai mare decat tensiunea de pe emitor cu atat mai mult se reduce bariera de potential. Daca tensiunea Baza-Emitor ajunge la circa 0,65V, bariera de potential se micsoreaza de tot si astfel incepe sa curga curent in jonctiunea Baza-Emitor.

      Intr-o Jonctiune PN, daca bagi o tensiune mai mare in zona P decat in zona N, bariera de potential se reduce. In caz contrar creste. Lucrurile astea le-am explicat pe larg in articolul despre jonctiunea PN asa ca te invit sa te uiti si peste acel articol

      • Buna Ciprian!
        Ai dreptate, dar eu tot nu inteleg. Ma tot gandesc la electronii care umplu golurile din baza, iar electronii din emitor sunt dusi spre borna minus. Adica astfel nu este polarizat invers jonctiunea BE? Care ar fi motivul pt a circula electronii daca cele 2 jonctiuni au tot ce le trebuie, Baza si-a luat electronii de care are nevoie, iar emitorul i-a dat afara pe electronii in plus.
        UIte cum gandesc. http://i.imgur.com/GvKE8uy.jpg
        Stiu ca este gresit pt ca in realitate este cum zici tu, dar nu inteleg de ce functioneaza.
        AI spus “Intr-o Jonctiune PN, daca bagi o tensiune mai mare in zona P decat in zona N, bariera de potential se reduce.” Avand o tensiune mai mare in P si in N mai mica asta nu inseamna ca sunt polarizate invers? Fiind tensiunea mai mare la P si mai mica la N curentul va circula de la P la N.
        Spune-mi unde gresesc.
        Iti citesc articolele, dar se pare ca tot nu inteleg, is prost :(.

  8. Acesta este cea mai clara explicatie pe care am gasit-o pe internet
    despre diferentele celor 3 tipuri de tranzistoare. Bravo !

    Tot respectul din partea mea.

    La MOS-FET s-a facut un copy/paste de la sectiunea anterioara.
    Te rog modifica “peste 4 … 8 V, trecerea curentului electric între sursă
    şi drenă este complet blocată (JFET-ul devine complet închis).” cu
    explicatiile corespunzatoare situatiei cand MOS-FETul are tensiunea
    aplicata peste 4V.

    • Multumesc pentru aprecieri si mai ales pentru atentionare. Chiar daca merge lent, cu oameni ca tine vom reusi sa facem din acest site ceva foarte serios.

Leave a Comment