Jak używać tranzystora jako przełącznika

Jak używać tranzystora jako przełącznika

Głównym urządzeniem w dziedzinie elektrotechniki i elektroniki jest zawór regulowany, który umożliwia słabemu sygnałowi regulację większej ilości przepływu, podobnie jak dysza, która reguluje przepływ wody z pomp, rur i innych. W pewnym okresie ten regulowany zawór, który został zastosowany w dziedzinie elektrycznej, był lampami próżniowymi. Wdrożenie i wykorzystanie lamp próżniowych było dobre, ale komplikacja z tym była duża, a zużycie ogromnej energii elektrycznej dostarczanej w postaci ciepła, które skracało żywotność lampy. W ramach rekompensaty za ten problem, tranzystor był urządzeniem, które zapewniło dobre rozwiązanie, odpowiadające wymaganiom całej branży elektrycznej i elektronicznej. To urządzenie zostało wynalezione przez „Williama Shockleya” w 1947 roku. Aby omówić więcej, przejdźmy do szczegółowego tematu wiedzy, czym jest tranzystor wdrażanie tranzystor jako przełącznik i wiele cech.



Co to jest tranzystor?

Tranzystor to trójzaciskowe urządzenie półprzewodnikowe które mogą być używane do przełączania aplikacji, wzmacniania słabych sygnałów, aw ilościach tysięcy i milionów tranzystorów są ze sobą połączone i osadzone w małym układzie scalonym / chipie, który tworzy pamięć komputerową. Przełącznik tranzystorowy, który jest używany do otwierania lub zamykania obwodu, co oznacza, że ​​tranzystor jest powszechnie używany jako przełącznik w urządzeniach elektronicznych tylko do zastosowań niskonapięciowych ze względu na jego niski moc konsumpcja. Tranzystor działa jako przełącznik, gdy znajduje się w obszarach odcięcia i nasycenia.


Rodzaje tranzystorów BJT

Zasadniczo tranzystor składa się z dwóch złączy PN, złącza te są utworzone przez przekładanie typu N lub typu P półprzewodnik materiał między parą przeciwnych typów materiałów półprzewodnikowych.





Złącze bipolarne tranzystory są podzielone na typy

  • NPN
  • PNP

Tranzystor ma trzy zaciski, a mianowicie Base, Emiter i Collector. Emiter jest silnie domieszkowanym końcem i emituje elektrony do obszaru podstawowego. Terminal bazowy jest lekko domieszkowany i przekazuje elektrony wprowadzone przez emiter do kolektora. Końcówka kolektora jest pośrednio domieszkowana i zbiera elektrony z bazy.



Tranzystor typu NPN składa się z dwóch domieszkowanych materiałów półprzewodnikowych typu N między domieszkowaną warstwą półprzewodnika typu P., jak pokazano powyżej. Podobnie, tranzystory typu PNP składają się z dwóch domieszkowanych materiałów półprzewodnikowych typu P między domieszkowaną warstwą półprzewodnika typu N, jak pokazano powyżej. Działanie obu tranzystorów NPN i PNP jest takie samo, ale różni się pod względem polaryzacji i polaryzacji zasilania.


Tranzystor jako przełącznik

Jeśli obwód używa Tranzystor BJT jako przełącznik h, wówczas polaryzacja tranzystora, NPN lub PNP, jest dostosowana do działania tranzystora po obu stronach krzywych charakterystyk I-V pokazanych poniżej. Tranzystor może pracować w trzech trybach: obszarze aktywnym, obszarze nasycenia i obszarze odcięcia. W obszarze aktywnym tranzystor działa jako wzmacniacz. Jako przełącznik tranzystorowy działa w dwóch regionach i to są Region nasycenia (w pełni włączony) i Region odcięcia (całkowicie WYŁĄCZONY). Plik tranzystor jako schemat obwodu przełącznika jest

Tranzystor jako przełącznik

Tranzystor jako przełącznik

Oba typy tranzystorów NPN i PNP mogą pracować jako przełączniki. Niewiele aplikacji wykorzystuje tranzystor mocy jako narzędzie przełączające. W tym stanie może nie być wymogu stosowania innego tranzystora sygnałowego do sterowania tym tranzystorem.

Tryby pracy tranzystorów

Na podstawie powyższych cech możemy zaobserwować, że zacieniony na różowo obszar na dole krzywych reprezentuje obszar odcięcia, a niebieski obszar po lewej stronie reprezentuje obszar nasycenia tranzystora. te obszary tranzystorów są zdefiniowane jako

Region odcięcia

Warunki pracy tranzystora to zerowy wejściowy prąd bazowy (IB = 0), zerowy prąd wyjściowy kolektora (Ic = 0) i maksymalne napięcie kolektora (VCE), co skutkuje dużą warstwą zubożenia i brakiem przepływu prądu przez urządzenie.

Dlatego tranzystor jest przełączany na „Całkowicie WYŁĄCZONY”. Więc możemy zdefiniować obszar odcięcia, gdy używamy tranzystora bipolarnego jako przełącznika, przeszkadzać, że złącza tranzystorów NPN są spolaryzowane odwrotnie, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Tryb odcięcia

Tryb odcięcia

Następnie możemy zdefiniować „region odcięcia” lub „tryb wyłączenia”, gdy jako przełącznik używany jest tranzystor bipolarny, oba złącza są spolaryzowane odwrotnie, IC = 0 i VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Charakterystyka regionu odcięcia

Charakterystyka regionu odcięcia:

  • Zarówno podstawa, jak i zaciski wejściowe są uziemione, co oznacza „0” v
  • Poziom napięcia na połączeniu baza-emiter jest mniejszy niż 0,7V
  • Złącze baza-emiter jest w stanie spolaryzowanym odwrotnie
  • Tutaj tranzystor działa jako przełącznik OPEN
  • Kiedy tranzystor jest całkowicie WYŁĄCZONY, przechodzi do obszaru odcięcia
  • Połączenie baza-kolektor jest w stanie spolaryzowanym odwrotnie
  • Nie będzie przepływu prądu w zacisku kolektora, co oznacza Ic = 0
  • Wartość napięcia na połączeniu emiter-kolektor i na zaciskach wyjściowych wynosi „1”

Region nasycenia

W tym regionie tranzystor będzie spolaryzowany tak, że zostanie zastosowana maksymalna ilość prądu bazowego (IB), co spowoduje maksymalny prąd kolektora (IC = VCC / RL), a następnie spowoduje minimalne napięcie kolektor-emiter (VCE ~ 0) upuszczać. W tym stanie warstwa zubożenia staje się możliwie najmniejsza i maksymalny prąd przepływający przez tranzystor. Dlatego tranzystor jest przełączany w tryb „W pełni włączony”.

Tryb nasycenia

Tryb nasycenia

Definicja „obszaru nasycenia” lub „trybu włączenia” przy użyciu bipolarnego tranzystora NPN jako przełącznika oznacza, że ​​oba złącza są spolaryzowane w przód, IC = maksimum i VB> 0,7v. W przypadku tranzystora PNP potencjał emitera musi być + ve w stosunku do bazy. To jest działanie tranzystora jako przełącznika .

Charakterystyka regionu nasycenia

Plik charakterystyka nasycenia są:

  • Zarówno podstawa, jak i zaciski wejściowe są podłączone do Vcc = 5v
  • Poziom napięcia na złączu baza-emiter przekracza 0,7 V.
  • Złącze baza-emiter jest w stanie przewodzenia
  • Tutaj tranzystor działa jako przełącznik ZAMKNIĘTY
  • Kiedy tranzystor jest całkowicie WYŁĄCZONY, przechodzi w obszar nasycenia
  • Połączenie baza-kolektor jest spolaryzowane do przodu
  • Aktualny przepływ w terminalu kolektora wynosi Ic = (Vcc / RL)
  • Wartość napięcia na połączeniu emiter-kolektor i na zaciskach wyjściowych wynosi „0”
  • Kiedy napięcie na połączeniu kolektor-emiter wynosi „0”, oznacza to idealne warunki nasycenia

Ponadto działanie tranzystora jako przełącznika można wyjaśnić szczegółowo, jak poniżej:

Tranzystor jako przełącznik - NPN

W zależności od przyłożonej wartości napięcia na krawędzi bazowej tranzystora następuje przełączanie. Gdy między emiterem a krawędziami podstawy występuje duża ilość napięcia, która wynosi ~ 0,7 V, wówczas przepływ napięcia od kolektora do krawędzi emitera wynosi zero. Tak więc tranzystor w tym stanie działa jako przełącznik, a prąd przepływający przez kolektor jest uważany za prąd tranzystora.

W ten sam sposób, gdy na zacisku wejściowym nie jest przyłożone napięcie, tranzystor działa w obszarze odcięcia i działa jako obwód otwarty. W tej metodzie przełączania podłączone obciążenie styka się z punktem przełączania, w którym działa on jako punkt odniesienia. Tak więc, gdy tranzystor przejdzie do stanu „ON”, nastąpi przepływ prądu z zacisku źródła do masy przez obciążenie.

Tranzystor NPN jako przełącznik

Tranzystor NPN jako przełącznik

Aby wyjaśnić tę metodę przełączania, rozważmy przykład.

Załóżmy, że tranzystor ma wartość rezystancji bazowej 50 kOhm, rezystancja na krawędzi kolektora wynosi 0,7 kOhm, a przyłożone napięcie wynosi 5 V i przyjmuje wartość beta równą 150. Na zboczu podstawy przykładany jest sygnał o wartości od 0 do 5 V. . Odpowiada to temu, że wyjście kolektora jest obserwowane poprzez modyfikację wartości napięcia wejściowego, które wynoszą 0 i 5 V. Rozważ poniższy diagram.

Kiedy V.TO= 0, to jado= VDC/ Rdo

IC = 5 / 0,7

Zatem prąd na zacisku kolektora wynosi 7,1 mA

Ponieważ wartość beta wynosi 150, to Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 uA

Zatem prąd bazowy wynosi 47,3 µA

Przy powyższych wartościach, najwyższa wartość prądu na zacisku kolektora wynosi 7,1 mA w stanie napięcia kolektora do emitera wynosi zero, a wartość prądu bazowego wynosi 47,3 µA. W ten sposób udowodniono, że gdy wartość prądu na krawędzi podstawy wzrośnie powyżej 47,3 µA, to tranzystor NPN przesunie się w obszar nasycenia.

Załóżmy, że tranzystor ma napięcie wejściowe 0 V. Oznacza to, że prąd bazowy wynosi „0” i gdy złącze emitera jest uziemione, to złącze emitera i podstawy nie będzie w stanie polaryzacji przekazywania. Tak więc tranzystor jest w trybie OFF, a wartość napięcia na krawędzi kolektora wynosi 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5 V.

Załóżmy, że tranzystor ma napięcie wejściowe 5V. Tutaj aktualną wartość na krawędzi podstawy można poznać za pomocą Zasada napięcia Kirchhoffa .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Rozważając tranzystor krzemowy, ma on Vbe = 0,7 V.

Zatem Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 uA

W ten sposób udowodniono, że gdy wartość prądu na krawędzi podstawy wzrośnie powyżej 56,8 µA, wówczas tranzystor NPN przesuwa się w obszar nasycenia przy stanie wejściowym 5V.

Tranzystor jako przełącznik - PNP

Funkcjonalność przełączania zarówno dla tranzystorów PNP, jak i NPN jest podobna, ale różnica polega na tym, że w tranzystorze PNP prąd płynie z zacisku podstawowego. Ta konfiguracja przełączania jest wykorzystywana do ujemnych połączeń masy. Tutaj krawędź podstawy ma ujemne połączenie polaryzacyjne w odniesieniu do krawędzi emitera. Kiedy napięcie na zacisku bazowym jest większe, następuje przepływ prądu podstawowego. Aby było jasne, że gdy istnieją bardzo minimalne lub -ve zawory napięcia, to powoduje to, że tranzystor jest zwarty, jeśli nie otwarty, lub inaczej wysokiej impedancji .

W tym typie połączenia obciążenie jest połączone z wyjściem przełączającym wraz z punktem odniesienia. Gdy tranzystor PNP jest w stanie WŁ., Prąd będzie płynął od źródła do obciążenia, a następnie do masy przez tranzystor.

Tranzystor PNP jako przełącznik

Tranzystor PNP jako przełącznik

Podobnie jak w przypadku operacji przełączania tranzystora NPN, wejście tranzystora PNP również znajduje się na krawędzi podstawy, podczas gdy zacisk emitera jest połączony ze stałym napięciem, a zacisk kolektora jest podłączony do masy przez obciążenie. Poniższy rysunek wyjaśnia obwód.

Tutaj zacisk bazowy jest zawsze w stanie polaryzacji ujemnej w odniesieniu do krawędzi emitera i podstawy, do której jest podłączony po stronie ujemnej, i emitera po stronie dodatniej napięcia wejściowego. Oznacza to, że napięcie od podstawy do emitera jest ujemne, a napięcie od emitera do kolektora jest dodatnie. Tak więc przewodnictwo tranzystora będzie występować, gdy napięcie emitera będzie miało bardziej dodatni poziom niż napięcie na zaciskach bazy i kolektora. Zatem napięcie na podstawie powinno być bardziej ujemne niż na innych zaciskach.

Aby poznać wartość prądów kolektora i bazowego, potrzebujemy poniższych wyrażeń.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Jeden

Gdzie Ub = Ic / β

Aby wyjaśnić tę metodę przełączania, rozważmy przykład.

Załóżmy, że obwód obciążenia potrzebuje 120 mA, a wartość beta tranzystora wynosi 120. Wtedy wartość prądu potrzebna do przejścia tranzystora w tryb nasycenia wynosi

Ib = Ic / β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Tak więc, gdy występuje prąd bazowy 1 mAmp, tranzystor jest całkowicie włączony. Podczas gdy w praktycznych scenariuszach do prawidłowego nasycenia tranzystora potrzeba około 30-40 procent więcej prądu. Oznacza to, że niezbędny dla urządzenia prąd bazowy to 1,3 mAmps.

Operacja przełączania tranzystora Darlington

W kilku przypadkach przyrost prądu stałego w urządzeniu BJT jest bardzo minimalny dla bezpośredniego przełączania napięcia lub prądu obciążenia. Z tego powodu stosowane są tranzystory przełączające. W tym stanie dołączone jest małe urządzenie tranzystorowe do włączania i wyłączania przełącznika oraz zwiększona wartość prądu do regulacji tranzystora wyjściowego.

W celu zwiększenia wzmocnienia sygnału dwa tranzystory są połączone w sposób „komplementarna konfiguracja łączenia wzmocnienia”. W tej konfiguracji współczynnik wzmocnienia jest wynikiem iloczynu dwóch tranzystorów.

Tranzystor Darlington

Tranzystor Darlington

Tranzystory Darlington są zwykle dołączane do dwóch bipolarnych typów tranzystorów PNP i NPN, gdzie są one połączone w taki sposób, że wartość wzmocnienia początkowego tranzystora jest mnożona przez wartość wzmocnienia drugiego tranzystora.

Daje to wynik, w którym urządzenie działa jako pojedynczy tranzystor z maksymalnym wzmocnieniem prądu, nawet przy minimalnej wartości prądu bazowego. Całe wzmocnienie prądowe przełącznika Darlingtona jest iloczynem wartości wzmocnienia prądowego tranzystorów PNP i NPN i jest to reprezentowane jako:

β = β1 × β2

W powyższych punktach tranzystory Darlington mające maksymalne wartości β i prądu kolektora są potencjalnie powiązane z przełączaniem pojedynczego tranzystora.

Na przykład, gdy tranzystor wejściowy ma wartość wzmocnienia prądowego 100, a drugi ma wartość wzmocnienia 50, wówczas całkowite wzmocnienie prądu wynosi

β = 100 × 50 = 5000

Tak więc, gdy prąd obciążenia wynosi 200 mA, wówczas wartość prądu w tranzystorze Darlingtona na zacisku bazowym wynosi 200 mA / 5000 = 40 µAmps, co stanowi duży spadek w porównaniu z poprzednim 1 mAmp dla pojedynczego urządzenia.

Konfiguracje Darlington

W tranzystorze Darlington występują głównie dwa typy konfiguracji i to są

Konfiguracja przełącznika tranzystora Darlingtona pokazuje, że zaciski kolektora dwóch urządzeń są połączone z zaciskiem emitera początkowego tranzystora, który ma połączenie z krawędzią podstawy drugiego urządzenia tranzystorowego. Zatem wartość prądu na końcówce emitera pierwszego tranzystora utworzy się jako prąd wejściowy drugiego tranzystora, co spowoduje, że będzie on w stanie włączenia.

Tranzystor wejściowy, który jest pierwszym, otrzymuje sygnał wejściowy na zacisku bazowym. Tranzystor wejściowy jest wzmacniany w sposób ogólny i służy do sterowania następnymi tranzystorami wyjściowymi. Drugie urządzenie wzmacnia sygnał, co skutkuje maksymalną wartością wzmocnienia prądu. Jedną z kluczowych cech tranzystora Darlingtona jest jego maksymalny przyrost prądu w odniesieniu do pojedynczego urządzenia BJT.

Oprócz możliwości maksymalnego napięcia i prądu przełączania, inną dodatkową korzyścią są maksymalne prędkości przełączania. Ta operacja przełączania pozwala na używanie urządzenia w szczególności w obwodach falownika, silniku prądu stałego, obwodach oświetlenia i do celów regulacji silnika krokowego.

Wariantem, który należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu tranzystorów Darlingtona niż w przypadku konwencjonalnych pojedynczych typów BJT przy wdrażaniu tranzystora jako przełącznika, jest to, że napięcie wejściowe na złączu podstawy i emitera musi być większe, które wynosi prawie 1,4 V dla urządzenia typu krzemowego, jak z powodu szeregowego połączenia dwóch połączeń PN.

Niektóre z typowych praktycznych zastosowań tranzystora jako przełącznika

W tranzystorze, o ile w obwodzie podstawowym nie płynie prąd, w obwodzie kolektora nie może płynąć prąd. Ta właściwość pozwoli na użycie tranzystora jako przełącznika. Tranzystor można włączać lub wyłączać, zmieniając bazę. Istnieje kilka zastosowań obwodów przełączających obsługiwanych przez tranzystory. Tutaj rozważałem tranzystor NPN, aby wyjaśnić kilka zastosowań, które używają przełącznika tranzystorowego.

Włącznik światła

Obwód jest zaprojektowany przy użyciu tranzystora jako przełącznika, aby zapalić żarówkę w jasnym otoczeniu i wyłączyć ją w ciemności i Rezystor zależny od światła (LDR) w potencjalnym rozdzielaczu. Kiedy otoczenie jest ciemne Opór LDR staje się wysoka. Następnie tranzystor jest wyłączany. Gdy LDR jest wystawiony na działanie jasnego światła, jego rezystancja spada do mniejszej wartości, co skutkuje wyższym napięciem zasilania i wzrostem prądu bazowego tranzystora. Teraz tranzystor jest włączony, płynie prąd kolektora i zapala się żarówka.

Przełącznik sterowany ciepłem

Jednym ważnym elementem obwodu przełącznika działającego na ciepło jest termistor. Termistor to rodzaj rezystora która reaguje w zależności od temperatury otoczenia. Jego odporność rośnie, gdy temperatura jest niska i odwrotnie. Po doprowadzeniu ciepła do termistora jego rezystancja spada, a prąd bazowy rośnie, po czym następuje większy wzrost prądu kolektora, a syrena zadziała. Ten konkretny obwód nadaje się jako system sygnalizacji pożaru .

Przełącznik sterowany ciepłem

Przełącznik sterowany ciepłem

Sterowanie silnikiem DC (sterownik) w przypadku wysokiego napięcia

Należy wziąć pod uwagę, że do tranzystora nie jest przyłożone napięcie, wówczas tranzystor zostaje wyłączony i nie przepływa przez niego żaden prąd. W związku z tym przekaźnik pozostaje w stanie OFF. Zasilanie silnika prądu stałego jest zasilany z zacisku normalnie zamkniętego (NC) przekaźnika, więc silnik będzie się obracał, gdy przekaźnik jest w stanie wyłączonym. Przyłożenie wysokiego napięcia do bazy tranzystora BC548 powoduje załączenie tranzystora i wzbudzenie cewki przekaźnika.

Praktyczny przykład

Tutaj poznamy wartość prądu bazowego, która jest wymagana do całkowitego przełączenia tranzystora w stan WŁĄCZENIA, w którym obciążenie wymaga prądu 200 mA, gdy wartość wejściowa jest zwiększona do 5 V. Poznaj także wartość Rb.

Bazowa wartość prądu tranzystora to

Ib = Ic / β rozważ β = 200

Ib = 200 mA / 200 = 1 mA

Bazowa wartość rezystancji tranzystora wynosi Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10-3

Rb = 4,3 kΩ

Przełączniki tranzystorowe są szeroko stosowane w wielu zastosowaniach, takich jak łączenie dużych prądów lub urządzeń o wysokim napięciu, takich jak silniki, przekaźniki lub światła, do minimalnej wartości napięcia, cyfrowych układów scalonych lub używane w bramkach logicznych, takich jak bramki AND lub OR. Ponadto, gdy wyjście dostarczane z bramki logicznej ma wartość + 5 V, podczas gdy urządzenie, które ma być regulowane, może wymagać napięcia zasilania 12 V lub nawet 24 V.

Lub obciążenie, takie jak silnik prądu stałego, może wymagać monitorowania prędkości za pomocą ciągłych impulsów. Przełączniki tranzystorowe pozwalają na szybszą i prostszą operację niż w przypadku tradycyjnych przełączników mechanicznych.

Dlaczego warto używać tranzystora zamiast przełącznika?

Wdrażając tranzystor w miejsce przełącznika, nawet minimalna ilość prądu bazowego reguluje większy prąd obciążenia na zacisku kolektora. Wykorzystując tranzystory w miejsce przełącznika, urządzenia te są wspomagane przekaźnikami i solenoidami. Natomiast w przypadku, gdy mają być regulowane wyższe poziomy prądów lub napięć, stosuje się tranzystory Darlington.

W sumie, podsumowując, kilka warunków, które są stosowane podczas pracy tranzystora jako przełącznika, to tylko kilka

  • Podczas korzystania z BJT jako przełącznika, musi być obsługiwany w warunkach niepełnego włączenia lub całkowitego włączenia.
  • Przy zastosowaniu tranzystora jako przełącznika minimalna wartość prądu bazowego reguluje zwiększony prąd obciążenia kolektora.
  • Wdrażając tranzystory do przełączania jako przekaźniki i solenoidy, lepiej jest zastosować diody koła zamachowego.
  • Aby regulować większe wartości napięcia lub prądów, najlepiej sprawdzają się tranzystory Darlington.

Ten artykuł dostarczył wyczerpujących i jasnych informacji na temat tranzystora, obszarów działania, działania jak przełącznik, charakterystyk, praktycznych zastosowań. Innym ważnym i pokrewnym tematem, który należy poznać, jest to, co jest cyfrowy przełącznik tranzystorowy i działa, schemat obwodu?