Jak działa tranzystor bipolarny BJT i do czego się go używa?

0

Tranzystor bipolarny (BJT – Bipolar Junction Transistor) to jeden z podstawowych elementów elektroniki analogowej i cyfrowej. Występuje w wersji NPN oraz PNP i działa jako element wzmacniający oraz łącznik (klucz). Mimo rozwoju technologii MOSFET, tranzystory bipolarne nadal są niezbędne dzięki swojej prostocie, przewidywalności i dobrym parametrom w układach analogowych.

Budowa tranzystora BJT: trzy warstwy – trzy elektrody

Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnikowych o przemiennym typie przewodnictwa:

Dla tranzystora NPN:

  • Emiter (E) – silnie domieszkowany typ N
  • Baza (B) – bardzo cienka warstwa P
  • Kolektor (C) – słabo domieszkowany typ N

Dla tranzystora PNP:

  • Emiter – P
  • Baza – N
  • Kolektor – P

Najważniejsze cechy budowy:

  • Emiter ma największe domieszkowanie – odpowiada za emisję nośników.
  • Baza jest ekstremalnie cienka, zwykle kilkaset nanometrów – to umożliwia sterowanie ruchem elektronów.
  • Kolektor jest większy i mniej domieszkowany, aby odprowadzać ciepło i wytrzymać wysokie napięcia.

Ta asymetria sprawia, że tranzystor jest elementem kierunkowym — nie można zamienić kolektora z emiterem.

Złącza w tranzystorze i ich polaryzacja

Tranzystor BJT ma dwa złącza:

  1. Złącze baza–emiter (BE)
    – sterujące, musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia
    (dla NPN: baza + względem emitera).
  2. Złącze baza–kolektor (BC)
    – zawsze pracuje w kierunku zaporowym.

To właśnie ta specyficzna konfiguracja decyduje o działaniu tranzystora.

Zasada działania tranzystora BJT krok po kroku

1. Prąd bazy steruje większym prądem kolektora

W tranzystorze bipolarnym przepływ prądu w bazie umożliwia przepływ znacznie większego prądu między kolektorem a emiterem.

Dla NPN:

  • Podajesz mały prąd na bazę (np. 0,5 mA),
  • Otwierasz drogę dla dużego prądu kolektora -> emitera (np. 50 mA),
  • Emiter jest połączony z masą, kolektor z dodatnim napięciem.

Dla PNP:

  • Wszystko odwrotnie biegunowo.

2. Wzmocnienie prądowe hFE (β)

To podstawowy parametr tranzystora:

hFE = Ic / Ib

Czyli:

  • Ib – prąd bazy
  • Ic – prąd kolektora

Typowe wartości:

  • Małe tranzystory: 100–300
  • Tranzystory mocy: 20–80
  • Specjalne typy: >500

Przykład:
Jeżeli hFE=200, a podasz Ib=1 mA, to tranzystor „wpuści” Ic≈200 mA.

3. Tranzystor działa w trzech stanach

Stan 1 – Odcięcie (OFF)

  • Złącze BE nie jest przewodzone
  • Brak prądu bazy -> brak prądu kolektora

To odpowiada stanowi logicznemu „0”, idealne dla kluczowania.

Stan 2 – Aktywny (wzmacniający)

  • BE przewodzi, BC zaporowo
  • Prąd kolektora zależy od prądu bazy
  • Tranzystor pracuje jako wzmacniacz (np. w audio)

To najważniejszy tryb w elektronice analogowej.

Stan 3 – Nasycenie (pełne otwarcie)

  • BE przewodzi
  • BC również przewodzi (częściowo)
  • Tranzystor „otwarty na maksa”, minimalny spadek VCE (zwykle 0,1–0,3 V)

To tryb pracy klucza.

Parametry tranzystora BJT, które trzeba znać

1. hFE (β) – wzmocnienie prądowe

Jak opisano wyżej, określa zależność Ic od Ib.

2. ICmax – maksymalny prąd kolektora

Trzeba uwzględnić chłodzenie i warunki pracy.

3. VCEmax – maksymalne napięcie kolektor–emiter

Typowe wartości: 30–100 V dla małych tranzystorów, do 1000 V dla specjalnych.

4. VF (VBE) – spadek napięcia na złączu BE

  • Dla krzemu: około 0,65–0,7 V
  • Dla germanu: około 0,2–0,3 V

5. Moc Ptot i rezystancja termiczna RθJA

Wskazują, ile ciepła tranzystor może oddać bez uszkodzeń.

6. Czas przełączania (switching speed)

BJT może być szybki, ale MOSFET-y są zwykle szybsze.
Diody Schottky’ego wbudowane w strukturę mogą przyspieszyć przełączanie.

Do czego stosuje się tranzystory bipolarne?

Tranzystor jako wzmacniacz sygnału

To klasyczne zastosowanie:

  • Wzmacniacze audio (klasy A, AB)
  • Przedwzmacniacze mikrofonowe
  • Wzmacniacze operacyjne – wewnętrzne stopnie BJT
  • Wzmocnienie sygnałów małosygnałowych

W trybie aktywnym tranzystor zachowuje się jak:

  • element sterowany prądem,
  • z dużym wzmocnieniem prądowym,
  • z dobrą liniowością (lepszą niż MOSFET w wielu zakresach).

Tranzystor jako klucz (przełącznik)

Najczęstsze zastosowanie w układach cyfrowych i automatyce.

Przykłady:

  • sterowanie przekaźnikami,
  • sterowanie silnikami DC, pompami, wentylatorami,
  • włączanie LED, matryc LED, wyświetlaczy,
  • budowa inwerterów i bramek logicznych,
  • systemy Arduino, ESP32, Raspberry Pi.

W trybie nasycenia tranzystor działa jak przełącznik o spadku ok. 0,1–0,3 V.

W układach mocy

Tranzystory mocy BJT (np. 2N3055, TIP3055) są stosowane:

  • w zasilaczach laboratoryjnych (jako element regulacji),
  • w końcówkach mocy audio,
  • w prostych wzmacniaczach do dużych prądów,
  • w układach regulacji ładowania akumulatorów.

W układach analogowych i precyzyjnych

Tranzystory bipolarny są ciągle niezastąpione w:

  • źródłach prądowych,
  • lustrzach prądowych,
  • różnicowych stopniach wejściowych,
  • stabilizatorach napięcia,
  • generatorach i układach pomiarowych.

Przykłady tranzystorów BJT – popularne modele

Małosygnałowe:

  • BC547 / BC557
  • 2N3904 / 2N3906
  • 2N2222

Mocy:

  • TIP41 / TIP42
  • TIP3055 / TIP2955
  • 2N3055

Szybkie tranzystory RF:

  • BF199
  • 2N3866

Każdy z nich ma inne parametry, dopasowane do konkretnych zastosowań.

Podsumowanie

Tranzystor bipolarny BJT to element, który steruje dużym prądem za pomocą małego prądu bazy.
Jest niezastąpiony tam, gdzie liczy się:

  • precyzyjna praca analogowa,
  • dobre wzmocnienie,
  • powtarzalność parametrów,
  • prostota sterowania,
  • niezawodność.

Mimo ogromnej popularności tranzystorów MOSFET, BJT nadal jest fundamentem elektroniki — zarówno w prostych układach, jak i w zaawansowanych konstrukcjach analogowych.