Jak používat tranzistor jako přepínač

Hlavním zařízením v oblasti elektrické a elektroniky je regulovaný ventil, který umožňuje slabému signálu regulovat větší množství průtoku, podobně jako tryska, která reguluje průtok vody z čerpadel, trubek a dalších. V jednom období byl tento regulovaný ventil, který byl implementován v elektrické doméně, vakuové trubice. Implementace a využití vakuových trubic byly dobré, ale komplikace s tím byla velká a spotřeba obrovské elektrické energie, která byla dodána jako teplo, které zkrátilo dobu životnosti trubice. Jako kompenzaci za tento problém byl tranzistor zařízením, které poskytlo dobré řešení vyhovující požadavkům celého elektrického a elektronického průmyslu. Toto zařízení vynalezl „William Shockley“ v roce 1947. Abychom diskutovali více, ponořme se do podrobného tématu vědět, co je tranzistor , implementace tranzistor jako spínač a mnoho charakteristik.

Co je to tranzistor?

Tranzistor je třívodičové polovodičové zařízení které lze použít pro přepínání aplikací, zesílení slabých signálů a v množství tisíců a milionů tranzistorů jsou propojeny a zabudovány do malého integrovaného obvodu / čipu, který vytváří počítačové paměti. Tranzistorový spínač, který se používá k otevření nebo uzavření obvodu, to znamená, že tranzistor se běžně používá jako spínač v elektronických zařízeních pouze pro aplikace s nízkým napětím kvůli jeho nízkému napětí Napájení spotřeba. Tranzistor pracuje jako přepínač, když je v oblastech s omezením a nasycením.

Typy tranzistorů BJT

Tranzistor se v zásadě skládá ze dvou PN přechodů, které jsou vytvořeny sendvičováním typu N nebo P polovodič materiál mezi dvojicí opačného typu polovodičových materiálů.

Bipolární spojení tranzistory jsou rozděleny do typů

• NPN
• PNP

Tranzistor má tři terminály, jmenovitě Base, Vysílač a sběratel. Emitor je silně dotovaný terminál a vysílá elektrony do oblasti báze. Terminál základny je lehce dotován a předává elektrony se vstřikováním emitoru na kolektor. Terminál kolektoru je středně dopovaný a sbírá elektrony ze základny.

Tranzistor typu NPN je složení dvou polovodičových materiálů dopovaných typu N mezi polovodičovou vrstvou dopovanou typu P, jak je uvedeno výše. Podobně jsou tranzistory typu PNP složením dvou polovodičových materiálů dopovaných typu P mezi polovodičovou vrstvou dopovanou typu N, jak je uvedeno výše. Fungování tranzistoru NPN i PNP je stejné, liší se však předpětím a polaritou napájení.

Tranzistor jako přepínač

Pokud obvod používá BJT tranzistor jako přepínač h, potom je předpětí tranzistoru, buď NPN nebo PNP, uspořádáno pro provozování tranzistoru na obou stranách charakteristických křivek I-V uvedených níže. Tranzistor lze provozovat ve třech režimech, aktivní oblasti, oblasti nasycení a oblasti rozhraní. V aktivní oblasti tranzistor funguje jako zesilovač. Jako tranzistorový spínač pracuje ve dvou oblastech a to jsou Region nasycení (plně ZAPNUTO) a Odříznutá oblast (zcela vypnuto). The tranzistor jako spínací schéma je

Tranzistor jako přepínač

Tranzistory typu NPN i PNP lze provozovat jako spínače. Několik aplikací využívá výkonový tranzistor jako spínací nástroj. Během této podmínky nemusí existovat požadavek na použití jiného signálního tranzistoru k řízení tohoto tranzistoru.

Provozní režimy tranzistorů

Z výše uvedených charakteristik můžeme pozorovat, že růžová stínovaná oblast ve spodní části křivek představuje oblast cut-off a modrá oblast vlevo představuje oblast saturace tranzistoru. tyto tranzistorové oblasti jsou definovány jako

Odříznutá oblast

Provozní podmínky tranzistoru jsou nulový vstupní základní proud (IB = 0), nulový výstupní proud kolektoru (Ic = 0) a maximální napětí kolektoru (VCE), což má za následek velkou vrstvu vyčerpání a žádný proud protékající zařízením.

Proto je tranzistor přepnut na „zcela vypnutý“. Můžeme tedy definovat mezní oblast při použití bipolárního tranzistoru jako přepínače, obtěžovat spoje tranzistorů NPN jsou reverzně předpjaté, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Režim cut-off

Poté můžeme definovat „cut-off region“ nebo „režim OFF“, když použijeme bipolární tranzistor jako spínač, oba křižovatky mají předpětí, IC = 0 a VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Charakteristiky hraničního regionu

Charakteristiky v mezní oblasti jsou:

• Základní i vstupní svorky jsou uzemněny, což znamená „0“ v
• Úroveň napětí na křižovatce základna-emitor je menší než 0,7v
• Spojení základna-emitor je ve stavu s předpětím
• Tranzistor zde funguje jako spínač OTEVŘENO
• Když je tranzistor zcela VYPNUTÝ, pohybuje se do mezní oblasti
• Spojení základny a kolektoru je ve stavu s předpětím
• V terminálu kolektoru nebude proudit žádný proud, což znamená Ic = 0
• Hodnota napětí na křižovatce emitor-kolektor a na výstupních svorkách je „1“

Region nasycení

V této oblasti bude tranzistor předpjatý tak, aby bylo aplikováno maximální množství základního proudu (IB), což vede k maximálnímu proudu kolektoru (IC = VCC / RL) a poté k minimálnímu napětí kolektoru a emitoru (VCE ~ 0) pokles. V tomto stavu se vyčerpávající vrstva stává co nejmenší a maximální proud protékající tranzistorem. Proto je tranzistor přepnut do polohy „plně zapnuto“.

Režim sytosti

Definice „oblasti nasycení“ nebo „režimu ZAPNUTO“ při použití bipolárního tranzistoru NPN jako spínače, oba spoje jsou předpjaté dopředu, IC = maximum a VB> 0,7v. U tranzistoru PNP musí být potenciál vysílače kladný vzhledem k základně. To je fungování tranzistoru jako spínače .

Charakteristiky regionu nasycení

The charakteristiky nasycení jsou:

• Jak základní, tak vstupní svorky jsou připojeny k Vcc = 5v
• Úroveň napětí na křižovatce báze-emitor je více než 0,7v
• Spojení základna-emitor je v předpjatém stavu
• Tranzistor zde funguje jako spínač ZAVŘENO
• Když je tranzistor zcela vypnutý, přesune se do oblasti nasycení
• Spojení základny a kolektoru je v předpjatém stavu
• Proud v terminálu kolektoru je Ic = (Vcc / RL)
• Hodnota napětí na křižovatce emitor-kolektor a na výstupních svorkách je „0“
• Když je napětí na spoji kolektor-emitor „0“, znamená to ideální podmínku nasycení

Kromě toho fungování tranzistoru jako spínače lze vysvětlit podrobně níže:

Tranzistor jako spínač - NPN

V závislosti na hodnotě aplikovaného napětí na spodní hraně tranzistoru probíhá přepínací funkce. Pokud je mezi emitorem a hranami základny dobré množství napětí, které je ~ 0,7 V, pak je tok napětí na kolektoru k hraně emitoru nulový. Tranzistor v tomto stavu tedy funguje jako spínač a proud, který protéká kolektorem, se považuje za tranzistorový proud.

Stejným způsobem, když na vstupní svorku není přivedeno žádné napětí, tranzistor funguje v mezní oblasti a funguje jako otevřený obvod. V této metodě spínání je připojená zátěž v kontaktu se spínacím bodem, kde působí jako referenční bod. Když se tedy tranzistor přesune do stavu „ZAPNUTO“, bude proudem proudit ze zdrojové svorky k zemi prostřednictvím zátěže.

Tranzistor NPN jako spínač

Abychom měli jasno v této metodě přepínání, zvažte příklad.

Předpokládejme, že tranzistor má hodnotu základního odporu 50 kOhm, odpor na okraji kolektoru je 0,7 kOhm a aplikované napětí je 5 V a považuje hodnotu beta za 150. Na okraji základny je aplikován signál, který se pohybuje mezi 0 a 5 V . To odpovídá tomu, že výstup kolektoru je sledován úpravou hodnot vstupního napětí, které jsou 0 a 5V. Zvažte následující diagram.

Když V_TENTO= 0, pak já_C= V_DC/ R._C

IC = 5 / 0,7

Proud na terminálu kolektoru je tedy 7,1 mA

Protože hodnota beta je 150, pak Ib = Ic / β

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

Základní proud je tedy 47,3 µA

S výše uvedenými hodnotami je nejvyšší hodnota proudu na svorce kolektoru 7,1 mA v podmínkách kolektoru na emitor je nula a hodnota základního proudu je 47,3 µA. Ukázalo se tedy, že když je hodnota proudu na okraji základny zvýšena nad 47,3 µA, pak se tranzistor NPN přesune do oblasti nasycení.

Předpokládejme, že tranzistor má vstupní napětí 0V. To znamená, že základní proud je „0“ a když je uzemnění spojení emitoru, pak nebude emitor a spojení základny ve stavu předpětí. Tranzistor je tedy v režimu OFF a hodnota napětí na okraji kolektoru je 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Předpokládejme, že tranzistor má vstupní napětí 5V. Zde lze zjistit aktuální hodnotu na spodní hraně pomocí Kirchhoffův princip napětí .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Když se vezme v úvahu křemíkový tranzistor, má Vbe = 0,7V

Takže Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 uA

Ukázalo se tedy, že když se hodnota proudu na okraji základny zvýší nad 56,8 µA, pak se tranzistor NPN přesune do saturační oblasti při vstupním stavu 5 V.

Tranzistor jako spínač - PNP

Spínací funkce pro tranzistory PNP i NPN jsou podobné, ale variace spočívá v tom, že v tranzistoru PNP je tok proudu ze svorky základny. Tato spínací konfigurace se používá pro připojení záporného uzemnění. Zde má základní hrana záporné předpětí v souladu s hranou emitoru. Když je napětí na svorce základny více -ve, pak bude proud základního proudu. Aby bylo jasné, že když existují ventily s velmi minimálním nebo nízkým napětím, pak je tranzistor zkratovaný, pokud není otevřený nebo jinak vysoká impedance .

U tohoto typu připojení je zátěž ve spojení se spínacím výstupem spolu s referenčním bodem. Když je PNP tranzistor v zapnutém stavu, bude proud proudit ze zdroje do zátěže a poté do země přes tranzistor.

PNP tranzistor jako spínač

Stejně jako při přepínání tranzistorů NPN je vstup tranzistoru PNP také na hraně základny, zatímco svorka emitoru je spojena s pevným napětím a kolektorová svorka je připojena k zemi prostřednictvím zátěže. Níže uvedený obrázek vysvětluje obvod.

Zde je svorka základny vždy ve stavu záporného předpětí v souladu s hranou vysílače a základnou, kterou připojil na záporné straně, a vysílačem na kladné straně vstupního napětí. To znamená, že napětí na základně k emitoru je záporné a napětí na emitoru k kolektoru je kladné. Vodivost tranzistoru tedy bude existovat, když bude mít napětí emitoru kladnější úroveň než napětí základny a kolektorových svorek. Napětí na základně by tedy mělo být zápornější než napětí ostatních svorek.

Abychom poznali hodnotu kolektorových a základních proudů, potřebujeme níže uvedené výrazy.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Jeden

Kde Ub = Ic / β

Abychom měli jasno v této metodě přepínání, zvažte příklad.

Předpokládejme, že zátěžový obvod potřebuje 120 mA a beta hodnota tranzistoru je 120. Pak je aktuální hodnota, která je potřebná k tomu, aby byl tranzistor v režimu nasycení,

Ib = Ic / β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Pokud je tedy základní proud 1 mAmp, je tranzistor zcela v zapnutém stavu. Zatímco v praktických scénářích je pro správnou saturaci tranzistoru potřeba přibližně 30-40 procent více proudu. To znamená, že základní proud potřebný pro zařízení je 1,3 mAmps.

Přepínání provozu Darlingtonova tranzistoru

V několika případech je proudový zisk stejnosměrného proudu v zařízení BJT velmi minimální pro přímé přepínání zátěžového napětí nebo proudu. Z tohoto důvodu jsou využívány spínací tranzistory. V tomto stavu je zahrnuto malé tranzistorové zařízení pro ZAPNUTÍ a VYPNUTÍ spínače a zvýšená hodnota proudu pro regulaci výstupního tranzistoru.

Aby se zvýšil zisk signálu, jsou dva tranzistory připojeny způsobem „konfigurace doplňkového zesílení zisku“. V této konfiguraci je faktor zesílení výsledkem součinu dvou tranzistorů.

Darlingtonův tranzistor

Darlingtonovy tranzistory jsou obvykle zahrnuty se dvěma bipolárními typy tranzistorů PNP a NPN, kde jsou spojeny tak, že hodnota zisku počátečního tranzistoru se znásobí hodnotou zisku druhého tranzistorového zařízení.

To vytváří výsledek, kdy zařízení funguje jako jediný tranzistor s maximálním proudovým ziskem i při minimální hodnotě základního proudu. Celý proudový zisk Darlingtonova spínacího zařízení je součinem hodnot proudového zisku tranzistorů PNP a NPN, což představuje:

β = β1 × β2

S výše uvedenými body jsou Darlingtonovy tranzistory s maximálními hodnotami β a kolektorového proudu potenciálně spojeny se spínáním jednoho tranzistoru.

Například když má vstupní tranzistor hodnotu zesílení proudu 100 a druhý má hodnotu zesílení 50, pak celkový proudový zisk je

β = 100 × 50 = 5000

Když je tedy zátěžový proud 200 mA, pak je aktuální hodnota v Darlingtonově tranzistoru na základní svorce 200 mA / 5000 = 40 µAmps, což je velký pokles ve srovnání s minulým 1 mAmp pro jedno zařízení.

Konfigurace Darlington

V Darlingtonově tranzistoru existují hlavně dva typy konfigurace a ty jsou

Konfigurace spínače Darlingtonova tranzistoru ukazuje, že kolektorové svorky obou zařízení jsou spojeny s emitorovou svorkou počátečního tranzistoru, který má spojení se spodní hranou druhého tranzistorového zařízení. Aktuální hodnota na svorce emitoru prvního tranzistoru se tedy vytvoří tak, jak se vstupní proud druhého tranzistoru dostane do stavu Zapnuto.

Vstupní tranzistor, který je prvním, získává svůj vstupní signál na svorce základny. Vstupní tranzistor se obecně zesiluje a používá se k řízení dalších výstupních tranzistorů. Druhé zařízení zesiluje signál a výsledkem je maximální hodnota aktuálního zisku. Jednou z rozhodujících vlastností Darlingtonova tranzistoru je jeho maximální proudový zisk ve vztahu k jedinému BJT zařízení.

Kromě schopnosti maximálních spínacích charakteristik napětí a proudu je další přidanou výhodou jeho maximální spínací rychlost. Tato spínací operace umožňuje, aby bylo zařízení speciálně použito pro obvody střídače, stejnosměrný motor, osvětlovací obvody a účely regulace krokového motoru.

Varianta, kterou je třeba vzít v úvahu při použití Darlingtonových tranzistorů než u konvenčních jednotlivých typů BJT při implementaci tranzistoru jako spínače, spočívá v tom, že vstupní napětí na křižovatce základny a emitoru musí být vyšší, což je u zařízení typu křemíku téměř 1,4 V jako kvůli sériovému spojení dvou PN spojů.

Některé běžné praktické aplikace tranzistoru jako přepínače

V tranzistoru, pokud v základním obvodu neprotéká proud, v kolektorovém obvodu nemůže proudit žádný proud. Tato vlastnost umožní použití tranzistoru jako přepínače. Tranzistor lze zapnout nebo vypnout změnou základny. Existuje několik aplikací spínacích obvodů provozovaných tranzistory. Zde jsem uvažoval o tranzistoru NPN, abych vysvětlil několik aplikací, které používají tranzistorový spínač.

Světlem ovládaný spínač

Obvod je navržen s použitím tranzistoru jako spínače, který osvětluje žárovku ve světlém prostředí a vypíná ji ve tmě a Odpor závislý na světle (LDR) v potenciálním děliči. Když je tmavé prostředí Odpor LDR stane se vysoko. Poté se tranzistor vypne. Když je LDR vystavena jasnému světlu, jeho odpor klesá na menší hodnotu, což vede k většímu napájecímu napětí a zvýšení základního proudu tranzistoru. Nyní je tranzistor zapnutý, protéká kolektorový proud a žárovka se rozsvítí.

Tepelně ovládaný spínač

Jednou z důležitých součástí v obvodu tepelně ovládaného spínače je termistor. Termistor je typ odporu který reaguje v závislosti na okolní teplotě. Jeho odpor se zvyšuje při nízké teplotě a naopak. Když je na termistor přivedeno teplo, jeho odpor klesá a zvyšuje se základní proud, následovaný větším nárůstem kolektorového proudu a siréna bude foukat. Tento konkrétní obvod je vhodný jako požární poplachový systém .

Tepelně ovládaný spínač

Řízení stejnosměrného motoru (řidiče) v případě vysokého napětí

Zvažte, že na tranzistor není přivedeno žádné napětí, tranzistor se vypne a nebude přes něj protékat žádný proud. Proto relé zůstává ve vypnutém stavu. Napájení stejnosměrného motoru je napájen ze svorky normálně zavřeno (NC) relé, takže motor se bude otáčet, když je relé ve stavu VYPNUTO. Použití vysokého napětí na bázi tranzistoru BC548 způsobí zapnutí ON tranzistoru a reléové cívky.

Praktický příklad

Zde budeme znát hodnotu základního proudu, která je nutná k tomu, aby se tranzistor zcela dostal do stavu ZAPNUTO, kde zátěž potřebuje proud 200 mA, když je vstupní hodnota zvýšena na 5v. Také znáte hodnotu Rb.

Hodnota základního proudu tranzistoru je

Ib = Ic / β zvažte β = 200

Ib = 200 mA / 200 = 1 mA

Hodnota základního odporu tranzistoru je Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10^-3

Rb = 4,3 kΩ

Tranzistorové spínače jsou široce používány v mnoha aplikacích, jako je propojení obrovského proudu nebo vysoké hodnoty napěťových zařízení, jako jsou motory, relé nebo světla, na minimální hodnotu napětí, digitální integrované obvody nebo se používají v logických branách, jako jsou brány AND nebo OR. Také když je výstup dodávaný z logické brány + 5 V, zatímco zařízení, které musí být regulováno, může potřebovat vadnout 12 V nebo dokonce 24 V napájecího napětí.

Nebo může stejnosměrný motor vyžadovat, aby jeho otáčky byly sledovány pomocí nepřetržitých pulzů. Tranzistorové spínače umožňují, aby tato operace byla rychlejší a jednodušší než ve srovnání s tradičními mechanickými spínači.

Proč používat tranzistor místo přepínače?

Při implementaci tranzistoru v místě spínače reguluje i minimální množství základního proudu vyšší proud zátěže v terminálu kolektoru. Pomocí tranzistorů místo přepínače jsou tato zařízení podporována relé a solenoidy. Zatímco v případě, kdy mají být regulovány vyšší úrovně proudů nebo napětí, jsou použity Darlingtonovy tranzistory.

Celkově lze říci, že pouze několik podmínek, které se používají při provozu tranzistoru jako spínače, je

• Při použití BJT jako přepínače musí být provozováno buď neúplné zapnutí, nebo úplné podmínky zapnutí.
• Při použití tranzistoru jako spínače reguluje minimální hodnota základního proudu zvýšený proud zátěže kolektoru.
• Při implementaci tranzistorů pro přepínání jako relé a solenoidy je lepší použít setrvačníkové diody.
• K regulaci větších hodnot napětí nebo proudů fungují v nejlepším případě Darlingtonovy tranzistory.

A tento článek poskytuje komplexní a jasné informace o tranzistoru, provozních oblastech, funkcích jako přepínač, charakteristikách a praktických aplikacích. Další zásadní a související téma, které je třeba znát, je to, co je digitální logický tranzistorový spínač a jeho pracovní schéma zapojení?