Kako uporabiti tranzistor kot stikalo

Glavna naprava na področju elektrike in elektronike je reguliran ventil, ki omogoča šibek signal za uravnavanje večje količine pretoka, podoben šobi, ki uravnava pretok vode iz črpalk, cevi in ​​drugih. V določenem obdobju so ta regulirani ventil, ki je bil vgrajen v električno področje, vakuumske cevi. Izvedba in uporaba vakuumskih cevi sta bila dobra, a zaplet pri tem je bil velik in poraba ogromne električne energije, ki je bila dostavljena kot toplota, kar je skrajšalo življenjsko dobo cevi. Kot nadomestilo za to težavo je bil tranzistor naprava, ki je ponudila dobro rešitev, ki ustreza zahtevam celotne električne in elektronske industrije. To napravo je izumil 'William Shockley' leta 1947. Če želite več razpravljati, se poglobimo v podrobno temo vedenja, kaj je tranzistor , izvajanje tranzistor kot stikalo in številne značilnosti.

Kaj je tranzistor?

Tranzistor je polprevodniška naprava s tremi priključki ki se lahko uporablja za preklapljanje aplikacij, ojačanje šibkih signalov in je v količinah na tisoče in milijone tranzistorjev medsebojno povezanih in vgrajenih v majhen integriran krog / čip, ki ustvarja računalniške pomnilnike. Tranzistorsko stikalo, ki se uporablja za odpiranje ali zapiranje vezja, pomeni, da se tranzistor pogosto uporablja kot stikalo v elektronskih napravah samo za nizkonapetostne aplikacije zaradi nizke napetosti. moč poraba. Tranzistor deluje kot stikalo, ko je v mejnih in nasičenih območjih.

Vrste tranzistorjev BJT

V bistvu je tranzistor sestavljen iz dveh PN-spojev, ti pa so tvorjeni s sendvičem N-tipa ali P-tipa polprevodnik materiala med parom nasprotne vrste polprevodniških materialov.

Bipolarni spoj tranzistorji so razvrščeni v tipe

• NPN
• PNP

Tranzistor ima tri sponke, in sicer Base, Oddajnik in Zbiralec. Oddajnik je močno dopiran terminal in oddaja elektrone v bazno regijo. Osnovni terminal je rahlo dopiran in oddaja vbrizgane elektrone na kolektor. Kolektorski terminal je vmesno dopiran in zbira elektrone iz baze.

Tranzistor tipa NPN je sestava dveh polprevodniških materialov, dopiranih z N-tipom, med polprevodniško plastjo dopirane vrste P, kot je prikazano zgoraj. Podobno so tranzistorji tipa PNP sestavljeni iz dveh polprevodniških materialov, dopiranih s P-tipom, med polprevodniško plastjo, dopirano z N-tipom, kot je prikazano zgoraj. Delovanje tranzistorja NPN in PNP je enako, vendar se razlikuje glede na njihovo pristranskost in polarnost napajanja.

Tranzistor kot stikalo

Če vezje uporablja BJT tranzistor kot stikalo h, potem je nastavitev tranzistorja, bodisi NPN bodisi PNP, razporejena tako, da deluje na tranzistorju na obeh straneh krivulj karakteristik I-V, prikazanih spodaj. Tranzistor je mogoče upravljati v treh načinih, v aktivnem območju, nasičenem območju in ločenem območju. V aktivni regiji tranzistor deluje kot ojačevalnik. Kot tranzistorsko stikalo deluje v dveh regijah, in sicer Regija nasičenosti (popolnoma vklopljeno) in Rezana regija (popolnoma IZKLOPLJENO). The tranzistor kot diagram stikalnega vezja je

Tranzistor kot stikalo

Oba tipa NPN in PNP tranzistorja lahko delujeta kot stikala. Le malo aplikacij uporablja močnostni tranzistor kot preklopno orodje. V tem stanju morda ne bo treba uporabljati drugega signalnega tranzistorja za pogon tega tranzistorja.

Načini delovanja tranzistorjev

Iz zgornjih značilnosti lahko opazimo, da roza osenčeno območje na dnu krivulj predstavlja prerez, modro območje levo pa območje nasičenosti tranzistorja. ta tranzistorska območja so opredeljena kot

Rezana regija

Delovni pogoji tranzistorja so ničelni vhodni osnovni tok (IB = 0), ničelni izhodni kolektorski tok (Ic = 0) in največja napetost kolektorja (VCE), kar povzroči velik izčrpavalni sloj in noben tok ne teče skozi napravo.

Zato se tranzistor preklopi v položaj 'Popolnoma izklopljen'. Torej lahko določimo ločeno območje pri uporabi bipolarnega tranzistorja kot stikala kot motečega, motijo ​​pa križišča NPN tranzistorjev s povratno pristranskostjo, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Izklopni način

Nato lahko pri uporabi bipolarnega tranzistorja kot stikala določimo 'cut-off region' ali 'OFF mode', pri čemer sta oba križišča obrnjena, IC = 0 in VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Značilnosti ločenih regij

Značilnosti v mejni regiji so:

• Tako osnovna kot vhodna sponka sta ozemljena, kar pomeni '0'v
• Raven napetosti na križišču osnovni oddajnik je manjša od 0,7 v
• Spoj osnovni oddajnik je v obratno pristranskem stanju
• Tu tranzistor deluje kot stikalo ODPRTO
• Ko je tranzistor popolnoma izklopljen, se premakne v mejno območje
• Spoj osnovni kolektor je v vzvratno pristranskem stanju
• V sponki kolektorja ne bo toka, kar pomeni, da je Ic = 0
• Vrednost napetosti na spoju oddajnik-kolektor in na izhodnih sponkah je '1'

Regija nasičenosti

V tem območju bo tranzistor pristranski, tako da se uporabi največja količina osnovnega toka (IB), kar ima za posledico največji tok kolektorja (IC = VCC / RL) in nato najmanjšo napetost kolektorja in oddajnika (VCE ~ 0) padec. V tem stanju plast izčrpavanja postane čim manjša in največji tok, ki teče skozi tranzistor. Zato je tranzistor vklopljen.

Način nasičenja

Opredelitev 'območja nasičenja' ali 'načina vklopa' pri uporabi bipolarnega NPN tranzistorja kot stikala, saj sta oba križišča prednapeta, IC = največja in VB> 0,7 v. Za PNP tranzistor mora biti oddajniški potencial + vec glede na bazo. To je delovanje tranzistorja kot stikala .

Značilnosti regije nasičenosti

The značilnosti nasičenosti so:

• Tako osnovna kot vhodna sponka sta priključena na Vcc = 5v
• Raven napetosti na križišču osnovni oddajnik je večja od 0,7 v
• Spoj osnovni oddajnik je v prednapetostnem stanju
• Tu tranzistor deluje kot stikalo ZAPRTO
• Ko je tranzistor popolnoma izklopljen, se premakne v območje nasičenja
• Spoj osnovnega kolektorja je v prednapetem stanju
• Tok toka v kolektorski sponki je Ic = (Vcc / RL)
• Vrednost napetosti na spoju oddajnik-kolektor in na izhodnih sponkah je '0'
• Ko je napetost na spoju kolektor-oddajnik ‘0’, to pomeni idealno stanje nasičenosti

Poleg tega delovanje tranzistorja kot stikala je mogoče podrobno razložiti kot spodaj:

Tranzistor kot stikalo - NPN

Glede na uporabljeno vrednost napetosti na osnovnem robu tranzistorja poteka preklopna funkcionalnost. Kadar je med oddajnikom in osnovnimi robovi dobra napetost, ki je približno 0,7 V, je tok napetosti na kolektorju do roba oddajnika enak nič. Torej, tranzistor v tem stanju deluje kot stikalo in tok, ki teče skozi kolektor, se šteje za tranzistorski tok.

Na enak način, ko na vhodnem sponku ni napetosti, tranzistor deluje v ločenem območju in deluje kot odprt krog. Pri tej preklopni metodi je priključena obremenitev v stiku s stikalno točko, kjer ta deluje kot referenčna točka. Torej, ko se tranzistor premakne v stanje 'ON', bo prišlo do toka od izvorne sponke do tal prek obremenitve.

NPN tranzistor kot stikalo

Da bomo jasno razumeli to preklopno metodo, si oglejmo primer.

Predpostavimo, da ima tranzistor osnovno vrednost upora 50kOhm, upor na robu kolektorja 0,7kOhm in uporabljena napetost je 5V in šteje vrednost beta kot 150. Na osnovni rob se uporabi signal, ki se giblje med 0 in 5V . To pomeni, da se izhod kolektorja opazuje s spreminjanjem vrednosti vhodne napetosti, ki sta 0 in 5V. Upoštevajte naslednji diagram.

Ko je V_TO= 0, potem I_C= V_DC/ R_C

IC = 5 / 0,7

Torej je tok na kolektorskem terminalu 7,1 mA

Ker je vrednost beta 150, je Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 µA

Torej je osnovni tok 47,3 µA

Pri zgornjih vrednostih je najvišja vrednost toka na spoju kolektorja 7,1 mA, ko je napetost kolektorja do emiterja enaka, osnovna vrednost toka pa 47,3 µA. Tako se je izkazalo, da ko se vrednost toka na osnovnem robu poveča nad 47,3 µA, se NPN tranzistor premakne v območje nasičenja.

Predpostavimo, da ima tranzistor vhodno napetost 0V. To pomeni, da je osnovni tok '0' in ko je odsevniški priključek ozemljen, oddajnik in osnovni priključek ne bosta v stanju prednapetosti. Torej, tranzistor je v načinu IZKLOP in vrednost napetosti na robu kolektorja je 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Predpostavimo, da ima tranzistor vhodno napetost 5V. Tu lahko trenutno vrednost na osnovnem robu poznamo z uporabo Kirchhoffov princip napetosti .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Če upoštevamo silicijev tranzistor, ima Vbe = 0,7 V

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

Ib = 56,8 µA

Tako se je izkazalo, da ko se vrednost toka na osnovnem robu poveča nad 56,8 µA, se NPN tranzistor premakne v območje nasičenja pri vhodnem stanju 5V.

Tranzistor kot stikalo - PNP

Preklopna funkcionalnost za PNP in NPN tranzistorje je podobna, vendar je razlika v tem, da v tranzistorju PNP tok teče iz osnovnega terminala. Ta preklopna konfiguracija se uporablja za negativne ozemljitvene povezave. Tu ima osnovni rob negativno pristranskost, ki ustreza emiterskemu robu. Ko je napetost na osnovnem terminalu več -ve, bo prišlo do toka osnovnega toka. Da bi bilo jasno, da ko obstajajo zelo minimalni ali -ve napetostni ventili, je to tranzistor zaradi kratkega stika, če ni odprt ali drugače visoka impedanca .

Pri tej vrsti povezave je obremenitev povezana z izhodnim izhodom skupaj z referenčno točko. Ko je PNP tranzistor v stanju VKLJUČEN, bo tok potekal od vira do obremenitve in nato do ozemljitve prek tranzistorja.

PNP tranzistor kot stikalo

Tako kot pri preklopu tranzistorja NPN je tudi vhod tranzistorja PNP na osnovnem robu, medtem ko je oddajniški priključek povezan s fiksno napetostjo, kolektorski priključek pa je povezan z zemljo prek obremenitve. Spodnja slika pojasnjuje vezje.

Tu je osnovni priključek vedno v negativnem stanju pristranskosti, kar ustreza robu oddajnika in podnožju, ki ga je priključil na negativni strani, in oddajniku na pozitivni strani vhodne napetosti. To pomeni, da je napetost na dnu oddajnika negativna, napetost na oddajniku do kolektorja pa pozitivna. Torej bo prišlo do prevodnosti tranzistorja, ko bo imela napetost oddajnika pozitivnejšo raven kot osnovna in kolektorska sponka. Tako bi morala biti napetost na dnu bolj negativna kot pri drugih sponkah.

Da bi vedeli vrednost kolektorskih in osnovnih tokov, potrebujemo spodnje izraze.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Ena

Kjer je Ub = Ic / β

Da bomo jasno razumeli to preklopno metodo, si oglejmo primer.

Predpostavimo, da obremenitveno vezje potrebuje 120 mA, beta vrednost tranzistorja pa 120. Potem je trenutna vrednost, ki je potrebna, da je tranzistor v načinu nasičenja,

Ib = Ic / β

= 120 mAmp / 100

Ib = 1 mAmp

Torej, ko je osnovni tok 1 mAmp, je tranzistor popolnoma v stanju ON. Medtem ko je v praktičnih scenarijih za pravilno nasičenost tranzistorja potrebno približno 30-40 odstotkov več toka. To pomeni, da je osnovni tok, ki je potreben za napravo, 1,3 mAmp.

Preklopno delovanje Darlingtonovega tranzistorja

V nekaj primerih je trenutni dobiček enosmernega toka v napravi BJT zelo minimalen za neposredno preklapljanje napetosti ali toka obremenitve. Zaradi tega se uporabljajo preklopni tranzistorji. V tem stanju je vključena majhna tranzistorska naprava za vklop in izklop stikala in povečana vrednost toka za regulacijo izhodnega tranzistorja.

Da bi povečali ojačanje signala, sta dva tranzistorja povezana na način 'konfiguracije komplementarnega ojačanja ojačenja'. V tej konfiguraciji je ojačevalni faktor rezultat produkta dveh tranzistorjev.

Darlingtonski tranzistor

Darlingtonski tranzistorji so običajno vključeni v dve bipolarni PNP in NPN vrsti tranzistorjev, pri čemer sta ti povezani tako, da se vrednost ojačanja začetnega tranzistorja pomnoži z vrednostjo ojačenja druge tranzistorske naprave.

To povzroči rezultat, ko naprava deluje kot en sam tranzistor z največjim ojačanjem toka tudi za minimalno osnovno vrednost toka. Celoten trenutni dobiček Darlingtonove stikalne naprave je zmnožek vrednosti trenutnega ojačanja tranzistorjev PNP in NPN, kar je predstavljeno kot:

β = β1 × β2

Z zgornjimi točkami so Darlingtonovi tranzistorji z največjimi vrednostmi β in kolektorskega toka potencialno povezani s preklopom enega tranzistorja.

Na primer, če ima vhodni tranzistor vrednost ojačanja toka 100, druga pa vrednost ojačanja 50, je skupni tok ojačenja

β = 100 × 50 = 5000

Torej, ko je obremenitveni tok 200 mA, je trenutna vrednost v Darlingtonovem tranzistorju na osnovnem terminalu 200 mA / 5000 = 40 µAmp, kar je velik upad v primerjavi s preteklimi 1 mAmp za posamezno napravo.

Darlingtonove konfiguracije

V tranzistorju Darlington sta v glavnem dve vrsti konfiguracije, in sicer

Konfiguracija stikala Darlingtonovega tranzistorja dokazuje, da so kolektorski terminali obeh naprav povezani z emiterskim terminalom začetnega tranzistorja, ki je povezan z osnovnim robom druge tranzistorske naprave. Torej se bo trenutna vrednost na oddajniškem terminalu prvega tranzistorja oblikovala, ko bo vhodni tok drugega tranzistorja v stanju On.

Vhodni tranzistor, ki je prvi, dobi vhodni signal na osnovnem terminalu. Vhodni tranzistor se na splošno ojača in se uporablja za pogon naslednjih izhodnih tranzistorjev. Druga naprava izboljša signal in to povzroči največjo vrednost trenutnega ojačanja. Ena ključnih lastnosti tranzistorja Darlington je največji trenutni dobiček, ko je povezan z eno samo napravo BJT.

Poleg zmožnosti največjih značilnosti preklapljanja napetosti in toka je druga dodatna prednost tudi njegova največja preklopna hitrost. Ta preklopna operacija omogoča, da se naprava posebej uporablja za vezja pretvornika, enosmerni motor, razsvetljava in regulacijo koračnega motorja.

Razlika, ki jo je treba upoštevati pri uporabi Darlingtonovih tranzistorjev kot običajnih enojnih tipov BJT pri izvedbi tranzistorja kot stikala, je ta, da mora biti vhodna napetost na dnu in spoju oddajnika večja, kar je skoraj 1,4 v za silicijev tip naprave, kot zaradi serijske povezave dveh PN spojev.

Nekatere običajne praktične uporabe tranzistorja kot stikala

V tranzistorju, razen če tok teče v osnovnem vezju, v kolektorskem vezju ne more teči tok. Ta lastnost bo tranzistorju omogočila uporabo kot stikalo. Tranzistor lahko vklopite ali izklopite s spreminjanjem osnove. Obstaja nekaj aplikacij stikalnih vezij, ki jih upravljajo tranzistorji. Tu sem obravnaval NPN tranzistor, da bi razložil nekaj aplikacij, ki uporabljajo tranzistorsko stikalo.

Stikalo na lahki pogon

Vezje je zasnovano tako, da uporablja tranzistor kot stikalo, da žarnico prižge v svetlem okolju in jo v temi izklopi in Upor, odvisen od svetlobe (LDR) v potencialnem delilniku. Ko je okolje temno Odpor LDR postane visoko. Nato se tranzistor izklopi. Ko je LDR izpostavljen močni svetlobi, njegova upornost pade na manjše vrednosti, kar povzroči večjo napajalno napetost in dvig osnovnega toka tranzistorja. Zdaj je tranzistor vklopljen, tok kolektorja teče in žarnica zasveti.

Toplotno stikalo

Pomemben sestavni del vezja ogrevalnega stikala je termistor. Termistor je vrsta upora ki se odziva glede na temperaturo okolice. Njegova odpornost se poveča, ko je temperatura nizka in obratno. Ko toplota deluje na termistor, njegov upor pade in osnovni tok se poveča, čemur sledi večje povečanje kolektorskega toka in sirena bo zapihala. To vezje je primerno kot požarni alarmni sistem .

Toplotno stikalo

Krmiljenje enosmernega motorja (gonilnik) v primeru visokih napetosti

Upoštevajte, da na tranzistorju ni napetosti, potem se tranzistor izklopi in skozi njega ne bo tekel tok. Zato rele ostane v stanju OFF. Napajanje enosmernega motorja napaja se iz normalno zaprtega (NC) terminala releja, zato se bo motor vrtel, ko bo rele v izklopljenem stanju. Uporaba visoke napetosti na dnu tranzistorja BC548 povzroči vklop tranzistorja in relejske tuljave.

Praktični primer

Tukaj bomo vedeli vrednost osnovnega toka, ki je potreben, da se tranzistor popolnoma postavi v stanje ON, kjer obremenitev potrebuje tok 200 mA, ko je vhodna vrednost povečana na 5v. Vedite tudi vrednost Rb.

Osnovna trenutna vrednost tranzistorja je

Ib = Ic / β upoštevaj β = 200

Ib = 200mA / 200 = 1mA

Osnovna vrednost upora tranzistorja je Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10^-3

Rb = 4,3 kΩ

Tranzistorska stikala se pogosto uporabljajo v več aplikacijah, kot je povezovanje velikega toka ali visoke vrednosti napetostne opreme, kot so motorji, releji ali luči, do minimalne vrednosti napetosti, digitalnih IC ali se uporabljajo v logičnih vratih, kot so vrata IN ali OR. Tudi če je izhod, dobavljen iz logičnih vrat, + 5v, medtem ko bo naprava, ki jo je treba regulirati, morda morala posušiti 12v ali celo 24v napajalne napetosti.

Ali pa bo obremenitev, kot je enosmerni motor, morda zahtevala nadzor hitrosti skozi nekaj neprekinjenih impulzov. Tranzistorska stikala omogočajo, da je ta postopek hitrejši in preprostejši kot v primerjavi s tradicionalnimi mehanskimi stikali.

Zakaj uporabljati tranzistor namesto stikala?

Med izvajanjem tranzistorja namesto stikala celo minimalna količina osnovnega toka uravnava večji obremenitveni tok v kolektorskem terminalu. Z uporabo tranzistorjev namesto stikala so te naprave podprte z releji in solenoidi. Medtem ko se v primeru, ko je treba uravnavati višje ravni tokov ali napetosti, uporabljajo Darlingtonovi tranzistorji.

Na splošno je povzetek le nekaj pogojev, ki veljajo med delovanjem tranzistorja kot stikala

• Medtem ko uporabljate BJT kot stikalo, je treba upravljati bodisi z nepopolnim vklopljenim ali popolnim vklopljenim pogojem.
• Medtem ko tranzistor uporabljamo kot stikalo, minimalna vrednost osnovnega toka uravnava povečan tok obremenitve kolektorja.
• Medtem ko izvajamo tranzistorje za preklapljanje kot releji in elektromagnet, je bolje uporabiti vztrajniške diode.
• Za uravnavanje večjih vrednosti napetosti ali tokov Darlingtonovi tranzistorji delujejo v najboljšem primeru.

Ta članek vsebuje izčrpne in jasne informacije o tranzistorjih, delovnih regijah, ki delujejo kot stikalo, značilnostih in praktičnih aplikacijah. Druga ključna in sorodna tema, ki jo je treba poznati, je, kaj je stikalo za digitalni logični tranzistor in njegov delujoči diagram vezja?