Kā izmantot tranzistoru kā slēdzi

Galvenā ierīce elektriskajā un elektroniskajā jomā ir regulēts vārsts, kas ļauj vājam signālam regulēt lielāku plūsmas daudzumu, kas līdzīgs sprauslai, kas regulē ūdens plūsmu no sūkņiem, caurulēm un citiem. Vienā periodā šis regulētais vārsts, kas tika ieviests elektriskajā jomā, bija vakuuma caurules. Vakuuma cauruļu ieviešana un izmantošana bija laba, taču sarežģītība bija liela, un milzīgas elektriskās enerģijas patēriņš, kas tika piegādāts kā siltums, kas saīsināja caurules kalpošanas laiku. Kompensējot šo jautājumu, tranzistors bija ierīce, kas nodrošināja labu risinājumu, kas atbilst visas elektriskās un elektroniskās nozares prasībām. Šo ierīci 1947. gadā izgudroja “William Shockley”. Lai apspriestu vairāk, ļaujiet mums iedziļināties detalizētajā tēmā par to, kas ir tranzistors , īstenojot tranzistors kā slēdzis , un daudzas īpašības.

Kas ir tranzistors?

Transistors ir trīs termināļu pusvadītāju ierīce ko var izmantot, lai pārslēgtu lietojumprogrammas, pastiprinātu vājus signālus, un tūkstošiem un miljoniem tranzistoru ir savstarpēji savienoti un iestrādāti sīkā integrētā shēmā / mikroshēmā, kas veido datora atmiņas. Transistora slēdzis, ko izmanto ķēdes atvēršanai vai aizvēršanai, tas nozīmē, ka tranzistoru parasti izmanto kā slēdzi elektroniskajās ierīcēs tikai zema sprieguma lietojumiem, jo ​​tā zema jauda patēriņš. Transistors darbojas kā slēdzis, kad tas atrodas nogriešanas un piesātinājuma reģionos.

BJT tranzistoru veidi

Būtībā tranzistors sastāv no diviem PN savienojumiem, šie savienojumi tiek veidoti, iestiprinot N vai P tipa pusvadītājs materiāls starp pretēja tipa pusvadītāju materiālu pāri.

Bipolāra krustojums tranzistori tiek iedalīti tipos

• NPN
• PNP

Transistoram ir trīs spailes, proti, Base, Emiters un kolekcionārs. Emitētājs ir stipri leģēts terminālis, un tas izstaro elektronus Bāzes reģionā. Bāzes spaile ir viegli piejaukta, un emitenta iesmidzinātos elektronus nodod kolektoram. Kolektora terminālis ir ar starpposma piedevu un savāc elektronus no bāzes.

NPN tipa tranzistors ir divu N-veida pusvadītāju materiālu sastāvs starp P-veida leģētu pusvadītāju slāni, kā parādīts iepriekš. Līdzīgi, PNP tipa tranzistori ir divu P veida pusvadītāju materiālu sastāvs, kas leģēti starp N-veida pusvadītāju slāni, kā parādīts iepriekš. Gan NPN, gan PNP tranzistora darbība ir vienāda, bet atšķiras pēc to novirzes un barošanas avota polaritātes.

Transistors kā slēdzis

Ja ķēde izmanto BJT tranzistors kā SWITC h, tad tranzistora novirze, vai nu NPN, vai PNP, ir sakārtota, lai darbinātu tranzistoru abās pusēs zemāk parādītajām I-V raksturlīkņu līknēm. Tranzistoru var darbināt trīs režīmos, aktīvajā reģionā, piesātinājuma reģionā un nogriešanas apgabalā. Aktīvajā reģionā tranzistors darbojas kā pastiprinātājs. Kā tranzistora slēdzis tas darbojas divos reģionos, un tie ir Piesātinājuma reģions (pilnībā ieslēgts) un Nozares reģions (pilnībā izslēgts). The tranzistors kā slēdža shēma ir

Transistors kā slēdzis

Gan NPN, gan PNP tipa tranzistorus var darbināt kā slēdžus. Dažās lietojumprogrammās strāvas tranzistors tiek izmantots kā komutācijas rīks. Šajā stāvoklī šī tranzistora darbināšanai var nebūt prasība izmantot citu signāla tranzistoru.

Transistoru darbības režīmi

No iepriekšminētajām īpašībām mēs varam novērot, ka rozā nokrāsotā zona līkņu apakšā apzīmē nogriezuma reģionu un zilā zona kreisajā pusē apzīmē tranzistora piesātinājuma reģionu. šie tranzistoru reģioni ir definēti kā

Nozares reģions

Transistora darbības apstākļi ir nulles ieejas bāzes strāva (IB = 0), nulles izejas kolektora strāva (Ic = 0) un maksimālais kolektora spriegums (VCE), kā rezultātā liels izsmelšanas slānis un caur ierīci neplūst strāva.

Tāpēc tranzistors tiek pārslēgts uz “pilnībā izslēgts”. Tātad, mēs varam definēt nogriešanas reģionu, lietojot bipolāru tranzistoru kā slēdzi, traucējot NPN tranzistoru krustojumus, kas ir pretēji neobjektīvi, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Griešanas režīms

Tad, nosakot bipolāru tranzistoru kā slēdzi, mēs varam definēt “izslēgšanas reģionu” vai “IZSLĒGŠANAS režīmu” kā abus krustojumus atpakaļgaitas neitrāli, IC = 0 un VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Atsevišķa reģiona raksturojums

Atdalītā reģiona īpašības ir šādas:

• Gan bāzes, gan ieejas spailes ir iezemētas, kas nozīmē “0” v
• Sprieguma līmenis bāzes-izstarotāja krustojumā ir mazāks par 0,7v
• Bāzes-izstarotāja krustojums ir apgrieztā stāvoklī
• Šeit tranzistors darbojas kā slēdzis OPEN
• Kad tranzistors ir pilnībā IZSLĒGTS, tas pārvietojas nogriešanas apgabalā
• Bāzes un kolektora krustojums ir apgrieztā stāvoklī
• Kolektora spailē nebūs strāvas plūsmas, kas nozīmē Ic = 0
• Sprieguma vērtība izstarotāja un kolektora krustojumā un izejas spailēs ir “1”

Piesātinājuma reģions

Šajā reģionā tranzistors tiks novirzīts tā, lai tiktu izmantots maksimālais bāzes strāvas (IB) daudzums, kā rezultātā tiek iegūta maksimālā kolektora strāva (IC = VCC / RL) un pēc tam tiek iegūts minimālais kolektora-izstarotāja spriegums (VCE ~ 0) nomest. Šajā stāvoklī iztukšošanas slānis kļūst tik mazs, cik vien iespējams, un maksimālā strāva, kas plūst caur tranzistoru. Tāpēc tranzistors tiek ieslēgts “pilnībā ieslēgts”.

Piesātinājuma režīms

“Piesātinājuma reģiona” vai “Ieslēgta režīma” definīcija, ja kā slēdzi tiek izmantots bipolārs NPN tranzistors, abi krustojumi ir novirzīti uz priekšu, IC = maksimums un VB> 0,7 v. PNP tranzistoram Emitera potenciālam jābūt + ve attiecībā pret bāzi. Tas ir tranzistora kā slēdža darbība .

Piesātinājuma reģiona raksturojums

The piesātinājuma raksturlielumi ir:

• Gan bāzes, gan ieejas spailes ir savienotas ar Vcc = 5v
• Sprieguma līmenis bāzes-izstarotāja krustojumā ir lielāks par 0,7v
• Bāzes-izstarotāja krustojums ir novirzīts uz priekšu
• Šeit tranzistors darbojas kā slēdzis SLĒGTS
• Kad tranzistors ir pilnībā izslēgts, tas pārvietojas piesātinājuma apgabalā
• Bāzes un kolektora krustojums ir novirzīts uz priekšu
• Pašreizējā plūsma kolektora spailē ir Ic = (Vcc / RL)
• Sprieguma vērtība izstarotāja un kolektora krustojumā un izejas spailēs ir “0”
• Kad spriegums kolektora-izstarotāja krustojumā ir “0”, tas nozīmē ideālu piesātinājuma stāvokli

Turklāt tranzistora kā slēdža darbība var sīkāk izskaidrot šādi:

Transistors kā slēdzis - NPN

Atkarībā no piemērotās sprieguma vērtības tranzistora pamatmalā notiek komutācijas funkcionalitāte. Ja starp emitētāju un pamatmalu ir labs sprieguma daudzums, kas ir ~ 0,7 V, tad sprieguma plūsma pie kolektora uz izstarotāja malu ir nulle. Tātad tranzistors šajā stāvoklī darbojas kā slēdzis, un strāva, kas plūst caur kolektoru, tiek uzskatīta par tranzistora strāvu.

Tādā pašā veidā, kad pie ieejas spailes netiek piemērots spriegums, tranzistors darbojas nogriešanas apgabalā un darbojas kā atvērta ķēde. Šajā pārslēgšanas metodē pievienotā slodze saskaras ar komutācijas punktu, kur tas darbojas kā atskaites punkts. Tātad, kad tranzistors pārvietojas stāvoklī “ON”, caur slodzi no strāvas avota spailes uz zemi notiks strāvas plūsma.

NPN tranzistors kā slēdzis

Lai nepieļautu šo pārslēgšanas metodi, ņemsim vērā piemēru.

Pieņemsim, ka tranzistora bāzes pretestības vērtība ir 50 kOhm, pretestība kolektora malā ir 0,7 kOhm un pielietotais spriegums ir 5 V, un beta vērtību uzskata par 150. Bāzes malā tiek piemērots signāls, kas svārstās no 0 līdz 5 V . Tas atbilst tam, ka kolektora izeja tiek novērota, modificējot ieejas sprieguma vērtības, kas ir 0 un 5 V. Apsveriet šo diagrammu.

Kad V_ŠO= 0, tad es_C= V_DC/ R_C

IC = 5 / 0,7

Tātad strāva kolektora terminālā ir 7,1 mA

Tā kā beta vērtība ir 150, tad Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 µA

Tātad bāzes strāva ir 47,3 µA

Ar iepriekšminētajām vērtībām kolektora spailē strāvas augstākā vērtība ir 7,1 mA, ja kolektora un izstarotāja spriegums ir nulle un bāzes strāvas vērtība ir 47,3 µA. Tādējādi tika pierādīts, ka tad, kad strāvas vērtība pamatmalā tiek paaugstināta virs 47,3 µA, tad NPN tranzistors pārvietojas piesātinājuma apgabalā.

Pieņemsim, ka tranzistora ieejas spriegums ir 0V. Tas nozīmē, ka bāzes strāva ir ‘0’ un, kad emitētāja krustojums ir iezemēts, tad emitētāja un bāzes krustojums nebūs pārsūtīšanas novirzes stāvoklī. Tātad, tranzistors ir OFF režīmā, un sprieguma vērtība kolektora malā ir 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Pieņemsim, ka tranzistora ieejas spriegums ir 5 V. Šeit pašreizējo vērtību pie pamatmalas var uzzināt, izmantojot Kirhofa sprieguma princips .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Ja tiek apsvērts silīcija tranzistors, tam ir Vbe = 0,7 V

Tātad, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 μA

Tādējādi tika pierādīts, ka tad, kad strāvas vērtība pamatmalā tiek paaugstināta virs 56,8 µA, tad NPN tranzistors pārvietojas piesātinājuma apgabalā pie 5 V ieejas stāvokļa.

Transistors kā slēdzis - PNP

Gan PNP, gan NPN tranzistoru komutācijas funkcionalitāte ir līdzīga, taču variācijas ir tādas, ka PNP tranzistorā strāvas plūsma notiek no bāzes termināla. Šī komutācijas konfigurācija tiek izmantota negatīvajiem zemes savienojumiem. Šeit bāzes malai ir negatīvs novirzes savienojums, kas atbilst emitētāja malai. Kad spriegums bāzes spailē ir lielāks -ve, tad būs bāzes strāvas plūsma. Lai būtu skaidrs, ka tad, ja pastāv ļoti minimāli vai -ve sprieguma vārsti, tad tranzistors tiek padarīts par īssavienotu, ja tas nav atvērts vai citādi augsta pretestība .

Šāda veida savienojumā slodze ir savienojumā ar komutācijas izeju kopā ar atskaites punktu. Kad PNP tranzistors ir ieslēgts, strāvas plūsma būs no avota līdz slodzei un pēc tam uz zemi, izmantojot tranzistoru.

PNP tranzistors kā slēdzis

Tāpat kā NPN tranzistora pārslēgšanas darbībai, PNP tranzistora ieeja ir arī pamatmalā, turpretī emitētāja spaile ir savienota ar fiksētu spriegumu, un kolektora spaile ir savienota ar zemi, izmantojot slodzi. Zemāk redzamais attēls izskaidro ķēdi.

Šeit bāzes spaile vienmēr ir negatīvā slīpuma stāvoklī, kas atbilst emitētāja malai un pamatnei, kuru tā savienoja negatīvajā pusē, un emitētājam ieejas sprieguma pozitīvajā pusē. Tas nozīmē, ka spriegums pie bāzes līdz izstarotājam ir negatīvs un spriegums pie izstarotāja līdz kolektoram ir pozitīvs. Tātad, tranzistora vadītspēja būs tad, kad izstarotāja spriegumam būs pozitīvāks līmenis nekā bāzes un kolektora spailēm. Tādējādi spriegumam pamatnē jābūt negatīvākam nekā citiem spailēm.

Lai uzzinātu kolektora un bāzes strāvu vērtību, mums ir nepieciešami šādi izteicieni.

Ic = Ti - Ib

Ic = β. Viens

Kur Ub = Ic / β

Lai nepieļautu šo pārslēgšanas metodi, ņemsim vērā piemēru.

Pieņemsim, ka slodzes ķēdei nepieciešams 120 mA, un tranzistora beta vērtība ir 120. Tad pašreizējā vērtība, kas nepieciešama tranzistora piesātinājuma režīmā, ir

Ib = Ic / β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Tātad, ja bāzes strāva ir 1 mAmp, tad tranzistors ir pilnībā ieslēgts. Tā kā praktiskos scenārijos pareizai tranzistora piesātināšanai ir nepieciešami aptuveni 30–40 procenti lielākas strāvas. Tas nozīmē, ka ierīcei nepieciešamā bāzes strāva ir 1,3 mAmps.

Darlingtonas tranzistora komutācijas darbība

Dažos gadījumos tiešās strāvas pieaugums BJT ierīcē ir ļoti minimāls, lai tieši pārslēgtu slodzes spriegumu vai strāvu. Tāpēc tiek izmantoti komutācijas tranzistori. Šajā stāvoklī ir iekļauta neliela tranzistora ierīce slēdža ieslēgšanai un izslēgšanai un palielināta strāvas vērtība izejas tranzistora regulēšanai.

Lai uzlabotu signāla pieaugumu, divi tranzistori ir savienoti “komplementārās pastiprināšanas salikšanas konfigurācijas” veidā. Šajā konfigurācijā pastiprināšanas koeficients ir divu tranzistoru produkta rezultāts.

Darlingtonas tranzistors

Darlingtona tranzistori parasti tiek iekļauti ar diviem bipolāriem PNP un NPN tipa tranzistoriem, kur tie ir savienoti tādā veidā, ka sākotnējā tranzistora pastiprinājuma vērtība tiek reizināta ar otrās tranzistora ierīces pastiprināšanas vērtību.

Tādējādi tiek iegūts rezultāts, kad ierīce darbojas kā viens tranzistors ar maksimālu strāvas pieaugumu pat ar minimālu bāzes strāvas vērtību. Viss Dārlingtonas slēdža ierīces pašreizējais pieaugums ir gan PNP, gan NPN tranzistoru pašreizējās pastiprināšanas vērtību reizinājums, un tas tiek attēlots kā:

β = β1 × β2

Ar iepriekš minētajiem punktiem Darlingtonas tranzistori ar maksimālajām β un kolektora strāvas vērtībām potenciāli ir saistīti ar viena tranzistora pārslēgšanu.

Piemēram, ja ieejas tranzistora strāvas pieauguma vērtība ir 100, bet otrajam - 50, tad kopējais strāvas pieaugums ir

β = 100 × 50 = 5000

Tātad, ja slodzes strāva ir 200 mA, tad Darlingtonas tranzistorā bāzes spailē pašreizējā vērtība ir 200 mA / 5000 = 40 µApps, kas ir liels samazinājums, salīdzinot ar vienas ierīces iepriekšējiem 1 mAmp.

Dārlingtonas konfigurācijas

Dārlingtonas tranzistorā galvenokārt ir divi konfigurācijas veidi, un tie ir

Dārlingtonas tranzistora slēdža konfigurācija parāda, ka abu ierīču kolektoru spailes ir savienotas ar sākotnējā tranzistora emitētāja spaili, kurai ir savienojums ar otrās tranzistora ierīces pamatmalu. Tātad pašreizējā vērtība pirmā tranzistora emitētāja spailē veidosies, jo otrā tranzistora ieejas strāva tādējādi to ieslēdz stāvoklī.

Pirmais ieejas tranzistors ieejas signālu saņem bāzes terminālā. Ieejas tranzistors tiek pastiprināts vispārīgā veidā, un to izmanto, lai darbinātu nākamos izejas tranzistorus. Otrā ierīce uzlabo signālu, un tā rezultātā tiek iegūta maksimālā strāvas pieauguma vērtība. Viena no Darlingtonas tranzistora būtiskajām iezīmēm ir tā maksimālais strāvas pieaugums, ja tas ir saistīts ar vienu BJT ierīci.

Papildus maksimālā sprieguma un strāvas pārslēgšanās raksturlielumu spējai otrs papildu ieguvums ir tā maksimālais pārslēgšanās ātrums. Šī komutācijas darbība ļauj ierīci īpaši izmantot invertora ķēdēm, līdzstrāvas motoram, apgaismojuma ķēdēm un soļu motora regulēšanai.

Variants, kas jāņem vērā, izmantojot Darlingtona tranzistorus, nevis parastos atsevišķos BJT tipos, ieviešot tranzistoru kā slēdzi, ir tāds, ka ieejas spriegumam pamatnes un izstarotāja krustojumā jābūt lielākam, kas silīcija tipa ierīcēm ir gandrīz 1,4 V, kā divu PN krustojumu virknes savienojuma dēļ.

Daži no tranzistora kā slēdža izplatītākajiem praktiskajiem pielietojumiem

Transistorā, ja vien strāva neplūst bāzes ķēdē, kolektora ķēdē nevar plūst strāva. Šis īpašums ļaus tranzistoru izmantot kā slēdzi. Transistoru var ieslēgt vai izslēgt, mainot pamatni. Ir daži komutācijas ķēžu pielietojumi, ko vada tranzistori. Šeit es uzskatīju, ka NPN tranzistors izskaidro dažas lietojumprogrammas, kurās tiek izmantots tranzistora slēdzis.

Ar gaismu darbināms slēdzis

Kontūra ir veidota, izmantojot tranzistoru kā slēdzi, lai apgaismotu spuldzi gaišā vidē un izslēgtu to tumsā un Gaismas atkarīgais rezistors (LDR) potenciālajā dalītājā. Kad vide ir tumša LDR pretestība kļūst augsts. Tad tranzistors tiek izslēgts. Ja LDR tiek pakļauts spilgtai gaismai, tā pretestība samazinās līdz mazākai vērtībai, kā rezultātā palielinās barošanas spriegums un palielinās tranzistora bāzes strāva. Tagad tranzistors ir ieslēgts, kolektora strāva plūst un spuldze iedegas.

Ar siltumu darbināms slēdzis

Viena svarīga sastāvdaļa siltuma darbināmā slēdža ķēdē ir termistors. Termistors ir rezistora veids kas reaģē atkarībā no apkārtējās temperatūras. Tā pretestība palielinās, ja temperatūra ir zema, un otrādi. Kad termistoram tiek uzlikts siltums, tā pretestība samazinās un palielinās bāzes strāva, kam seko lielāks kolektora strāvas pieaugums, un sirēna pūtīs. Šī konkrētā shēma ir piemērota kā ugunsgrēka trauksmes sistēma .

Ar siltumu darbināms slēdzis

Līdzstrāvas motora vadība (draiveris) augstsprieguma gadījumā

Apsveriet, ka tranzistoram netiek piemērots spriegums, tad tranzistors tiek izslēgts, un caur to netiks plūst strāva. Tādējādi stafete paliek OFF stāvoklī. Strāvas padeve līdzstrāvas motoram tiek barots no releja parasti slēgta (NC) spaiļa, tāpēc motors pagriezīsies, kad relejs ir izslēgtā stāvoklī. Augsta sprieguma lietošana tranzistora BC548 pamatnē izraisa tranzistora un releja spoles ieslēgšanos.

Praktiskais piemērs

Šeit mēs uzzināsim bāzes strāvas vērtību, kas nepieciešama, lai tranzistors pilnībā nonāktu ON stāvoklī, kur slodzei nepieciešama 200mA strāva, kad ieejas vērtība tiek palielināta līdz 5v. Arī zināt Rb vērtību.

Transistora bāzes strāvas vērtība ir

Ib = Ic / β uzskata β = 200

Ib = 200 mA / 200 = 1 mA

Tranzistora bāzes pretestības vērtība ir Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10^-3

Rb = 4,3kΩ

Transistoru slēdži tiek plaši izmantoti vairākās lietojumprogrammās, piemēram, sasaistot lielu strāvas vai lielu sprieguma aprīkojumu, piemēram, motorus, relejus vai gaismas, ar minimālo sprieguma vērtību, digitālajiem IC vai tiek izmantoti loģiskos vārtos, piemēram, AND vārti vai OR. Arī tad, ja izeja no loģikas vārtiem ir + 5v, turpretim regulējamajai ierīcei var būt nepieciešams izžūt 12v vai pat 24v no barošanas sprieguma.

Vai arī slodzei, piemēram, līdzstrāvas motoram, var būt nepieciešams kontrolēt tā ātrumu, izmantojot dažus nepārtrauktus impulsus. Transistora slēdži ļauj šo darbību veikt ātrāk un vienkāršāk nekā salīdzinājumā ar tradicionālajiem mehāniskajiem slēdžiem.

Kāpēc slēdzi vietā izmantot tranzistoru?

Īstenojot tranzistoru slēdža vietā, pat minimāls bāzes strāvas daudzums regulē lielāku slodzes strāvu kolektora spailē. Izmantojot tranzistorus slēdža vietā, šīs ierīces tiek atbalstītas ar relejiem un solenoīdiem. Ja gadījumā, ja jāregulē augstāks strāvas vai sprieguma līmenis, tiek izmantoti Darlingtona tranzistori.

Kopumā ir daži nosacījumi, kas tiek piemēroti, darbinot tranzistoru kā slēdzi

• Izmantojot BJT kā slēdzi, tas ir jādarbina vai nu ar nepilnīgu ieslēgtu, vai ar pilnīgiem ieslēgšanas apstākļiem.
• Izmantojot tranzistoru kā slēdzi, minimālā bāzes strāvas vērtība regulē palielinātu kolektora slodzes strāvu.
• Īstenojot tranzistorus, lai pārslēgtos kā releji un solenoīdi, labāk ir izmantot spararata diodes.
• Lai regulētu lielākas sprieguma vai strāvu vērtības, Darlingtona tranzistori darbojas labākajā gadījumā.

Šajā rakstā ir sniegta visaptveroša un skaidra informācija par tranzistoriem, darbības reģioniem, kas darbojas kā slēdzis, raksturlielumiem, praktiskajiem pielietojumiem. Otra būtiskā un saistītā tēma, kas jāzina, ir tā, kas ir digitālās loģikas tranzistora slēdzis un tā darba shēma?