In diesem Transistor-Tutorial erfahren Sie mehr über die Arbeit eines Transistors als Schalter. Schalt und Verstärkung sind die beiden Anwendungsbereiche von Transistoren und Transistor als Schalter ist die Grundlage für viele digitale Schaltungen.
Einführung
Als eines der bedeutendsten Halbleiterbauelemente hat Transistor Verwendung in enormen elektronischen Anwendungen wie eingebetteten Systemen, digitalen Schaltungen und Steuerungssystemen gefunden., Sowohl im digitalen als auch im analogen Bereich werden Transistoren in großem Umfang für unterschiedliche Anwendungszwecke wie Verstärkung, Logikoperationen, Schalten usw. verwendet.
Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich und gibt eine kurze Erklärung der Transistoranwendung als Schalter.
Die Bipolar-Junction-Transistor oder einfach BJT ist ein drei-Schicht, drei-terminal und zwei junction semiconductor device. Fast in vielen Anwendungen werden diese Transistoren für zwei Grundfunktionen wie Schalten und Verstärken verwendet.,
Der Name bipolar zeigt an, dass zwei Arten von Ladungsträgern an der Arbeit eines BJT beteiligt sind. Diese beiden Ladungsträger sind Löcher und Elektronen, bei denen Löcher positive Ladungsträger und Elektronen negative Ladungsträger sind.
Der transistor hat drei Regionen, nämlich die Basis, emitter und Kollektor. Der Emitter ist ein stark dotierter Anschluss und emittiert Elektronen in die Basis. Base Terminal ist leicht dotiert und leitet die Emitter-injizierten Elektronen an den Kollektor weiter., Der Kollektoranschluss ist zwischengeschaltet und sammelt Elektronen von der Basis. Dieser Kollektor ist im Vergleich zu anderen beiden Regionen groß und leitet mehr Wärme ab.
BJTs sind von zwei arten NPN und PNP, beide funktionieren ist gleiche aber unterscheiden sich in bezug auf biasing und netzteil polarität. In PNP transistor, zwischen zwei P-typ materialien N-typ material eingeklemmt ist, während im fall von NPN transistor P-typ material eingeklemmt zwischen zwei N-typ materialien. Diese beiden Transistoren können in verschiedene Typen wie gemeinsame Emitter, gemeinsame Kollektor und gemeinsame Basis Konfigurationen konfiguriert werden.,
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Betriebsmodi von Transistoren
Abhängig von den Vorspannbedingungen wie Vorwärts oder rückwärts haben Transistoren drei Hauptbetriebsmodi, nämlich Cutoff -, Aktiv-und Sättigungsbereiche.
Aktiver Modus
In diesem Modus wird der Transistor im Allgemeinen als Stromverstärker verwendet. Im aktiven Modus sind zwei Kreuzungen unterschiedlich voreingenommen, was bedeutet, dass der Emitter-Base-Übergang vorwärts voreingenommen ist, während der Collector-Base-Übergang umgekehrt voreingenommen ist., In diesem Modus fließt Strom zwischen Emitter und Kollektor und die Menge des Stromflusses ist proportional zum Basisstrom.
Cutoff Modus
In diesem modus, sowohl collector basis junction und emitter basis junction sind reverse biased. Dies erlaubt wiederum nicht, dass der Strom von Kollektor zu Emitter fließt, wenn die Basis-Emitter-Spannung niedrig ist. In diesem Modus wird das Gerät vollständig abgeschaltet, da dadurch der durch das Gerät fließende Strom Null ist.,
Sättigungsmodus
In dieser Betriebsart sind sowohl die Emitterbasis als auch die Kollektorbasisübergänge vorwärtsverzerrt. Strom fließt frei von Kollektor zu Emitter, wenn die Basis-Emitter-Spannung hoch ist. In diesem Modus Gerät ist vollständig eingeschaltet.
Die folgende Abbildung zeigt die Ausgangseigenschaften eines BJT-Transistors. In der folgenden abbildung cutoff region hat die betriebsbedingungen als null kollektor ausgangsstrom, null basis eingangsstrom und maximale kollektor spannung., Diese Parameter verursachen eine große Erschöpfungsschicht, die weiterhin keinen Strom durch den Transistor fließen lässt. Daher ist der Transistor vollständig in OFF Zustand.
In ähnlicher Weise ist im Sättigungsbereich ein Transistor so vorgespannt, dass maximaler Grundstrom angelegt wird, der maximalen Kollektorstrom und minimale Kollektor-Emitter-Spannung ergibt. Dadurch wird die Erschöpfungsschicht klein und ermöglicht einen maximalen Stromfluss durch den Transistor. Daher ist der Transistor vollständig in einem Zustand.,
Daher können wir aus der obigen Diskussion sagen, dass Transistoren als EIN/AUS-Festkörperschalter arbeiten können, indem Transistor in Cutoff-und Sättigungsbereichen betrieben wird. Diese Art der Schaltanwendung wird zur Steuerung von Motoren, Lampenlasten, Solenoiden usw. verwendet.
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Transistor als Schalter
Zum Schaltvorgang zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises wird ein Transistor verwendet. Diese Art Solid State Switching bietet erhebliche Zuverlässigkeit und geringere Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Relais.,
Als Schalter können sowohl NPN-als auch PNP-Transistoren verwendet werden. Einige der Anwendungen verwenden einen Leistungstransistor als Schaltvorrichtung, zu diesem Zeitpunkt kann es notwendig sein, einen anderen Signalpegeltransistor zu verwenden, um den Leistungstransistor anzutreiben.
NPN-Transistor als Schalter
Basierend auf der Spannung, die an der Basisklemme eines Transistorschaltvorgangs angelegt wird. Wenn eine ausreichende Spannung (Vin > 0,7 V) zwischen Basis und Emitter angelegt wird, ist die Kollektor-zu-Emitter-Spannung ungefähr gleich 0. Daher wirkt der Transistor als Kurzschluss., Der Kollektorstrom Vcc / Rc fließt durch den Transistor.
Wenn am Eingang keine Spannung oder Nullspannung angelegt wird, arbeitet der Transistor im Grenzbereich und fungiert als offener Stromkreis. Bei dieser Art von Schaltanschluss wird Last (hier LED-Lampe) mit einem Bezugspunkt an den Schaltausgang angeschlossen. Wenn der Transistor eingeschaltet wird, fließt Strom von Quelle zu Masse durch die Last.,
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Beispiel für NPN Transistor als Schalter
Betrachten sie das folgende beispiel, wo basis widerstand Rb = 50 k ohm, kollektor widerstand Rc = 0,7 k ohm, Vcc ist 5 V und die beta wert ist 125. Am Basiseingang ist ein Signal zwischen 0 und 5V angegeben, so dass wir den Ausgang am Kollektor sehen werden, indem wir das Vi in zwei Zuständen variieren, die 0 und 5V sind, wie in Abbildung gezeigt.
Ic = UB/Rc bei VCE = 0
Ic = 5V/0.,7k ohm
Ic = 7.1 mA
Basisstrom Ib = Ic / β
Ib = 7.1 mA/p
Ib = 56,8 µA
Aus den obigen Berechnungen ergibt sich die maximale oder der Wert des Kollektorstroms in der Schaltung beträgt 7,1 mA, wenn Vce gleich Null ist. Und der entsprechende Basisstrom, zu dem Kollektorstrom fließt, beträgt 56,8 µA. Es ist also klar, dass, wenn der Basisstrom über das 56,8-Mikroampere hinaus erhöht wird, der Transistor in den Sättigungsmodus wechselt.,
Betrachten Sie den Fall, wenn Null Volt am Eingang angelegt wird. Dies bewirkt, dass der Basisstrom Null ist und da der Emitter geerdet ist, ist der Emitter-Basisübergang nicht vorwärts voreingenommen. Daher ist der transistor in OFF zustand und die kollektor ausgang spannung ist gleich 5 V.
Wenn Vi = 0 V, Ib = 0 und Ic =0,
Vc = Vcc – (IcRc)
= 5V – 0
= 5V
Bedenken Sie, dass die angelegte Eingangsspannung 5 Volt beträgt, dann kann der Grundstrom durch Anwendung des Kirchhoff-Spannungsgesetzes bestimmt werden.,
Wenn Vi = 5V
Ib = (Vi – Vbe) / Rb
Für Siliziumtransistor Vbe = 0.7 V
Somit ist Ib = (5V – 0.7 V)/ 50K Ohm
= 86 µA, die größer als 56,8 µA
Daher die basis strom ist größer als 56,8 micro ampere strom, der transistor wird angetrieben zu sättigung, dass ist voll AUF, wenn 5 V ist angewendet an den eingang. Somit wird der Ausgang am Kollektor ungefähr Null.,
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PNP Transistor als Schalter
PNP Transistor funktioniert wie NPN für einen Schaltvorgang, aber der Strom fließt von der Basis. Diese Art der Umschaltung wird für negative Massekonfigurationen verwendet. Für den PNP-Transistor ist die Basisklemme in Bezug auf den Emitter immer negativ voreingenommen. Bei dieser Umschaltung fließt Grundstrom, wenn die Grundspannung negativer ist. Einfach eine niedrige spannung oder mehr negative spannung macht transistor zu kurzschluss sonst wird es open circuited oder hohe impedanz zustand.,
In diesem Zusammenhang wird die Last mit einem Bezugspunkt an den Transistorschaltausgang angeschlossen. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, fließt Strom von der Quelle durch den Transistor zur Last und schließlich zur Erde.
Beispiel PNP Transistor als Schalter
Ähnlich wie die NPN transistor schalter schaltung, PNP schaltung eingang ist auch basis, aber die emitter ist verbunden zu konstante spannung und die kollektor ist verbunden zu boden durch die last wie in abbildung gezeigt.,
In dieser Konfiguration ist die Basis immer negativ in Bezug auf den Emitter voreingenommen, indem die Basis auf der negativen Seite und der Emitter auf der positiven Seite der Eingangsversorgung verbunden werden. Die Spannung VBE ist also negativ und die Emitter-Versorgungsspannung in Bezug auf den Kollektor ist positiv ( VCE positiv).
Daher für die Leitung von Transistor-Emitter muss positiver in Bezug auf Kollektor und Basis. Mit anderen Worten, die Basis muss in Bezug auf den Emitter negativer sein.,
Zur Berechnung der Basis-und Kollektorströme werden folgende Ausdrücke verwendet.
Ic = Ie – Ib
Ic = β. Ib
Ib = Ic / β
Betrachten Sie das obige Beispiel, dass die Last 100 Milliampere Strom benötigt und der Transistor den Beta-Wert von 100 hat., Dann ist der für die Sättigung des Transistors erforderliche Strom
Minimaler Basisstrom = Kollektorstrom / β
= 100 mA / 100
= 1mA
Wenn der Basisstrom 1 mA beträgt, ist der Transistor vollständig eingeschaltet. Für eine garantierte Sättigung des Transistors werden jedoch praktisch 30 Prozent mehr Strom benötigt. In diesem Beispiel beträgt der erforderliche Basisstrom 1,3 mA.,
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Gemeinsame Praktische Beispiele für Transistor als Schalter
Transistor zu Schalter die LED
Wie bereits diskutiert, dass die transistor kann verwendet werden als schalter. Das folgende Schema zeigt, wie ein Transistor zum Schalten der Leuchtdiode (LED) verwendet wird.
- Wenn der Schalter an der Basisklemme geöffnet ist, fließt kein Strom durch die Basis, sodass sich der Transistor im Cutoff-Zustand befindet. Daher wirkt der Stromkreis als Leerlauf und die LED wird AUSGESCHALTET.,
- Wenn der schalter geschlossen ist, beginnt basisstrom fließt durch den transistor und dann antriebe in sättigung ergebnisse zu LED werden AUF.
- Widerstände sind platziert zu begrenzen die ströme durch die basis und LED. Es ist auch möglich, die Intensität der LED zu variieren, indem der Widerstand im Basisstrompfad variiert wird.
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Transistor zum Betrieb des Relais
Es ist auch möglich, den Relaisbetrieb mit einem Transistor zu steuern., Mit einer kleinen Schaltungsanordnung eines Transistors, der in der Lage ist, die Spule des Relais so zu erregen, dass die damit verbundene externe Last gesteuert wird.
- Betrachten Sie die folgende Schaltung, um den Betrieb eines Transistors zur Erregung der Relaisspule zu kennen. Der an der Basis angelegte Eingang bewirkt, dass der Transistor in den Sättigungsbereich getrieben wird, wodurch der Stromkreis weiter kurzgeschlossen wird. So wird die Relaisspule erregt und Relaiskontakte werden bedient.,
- Bei induktiven Lasten, insbesondere beim Schalten von Motoren und Induktivitäten, kann ein plötzlicher Stromabtrag ein hohes Potential über die Spule hinweg aufrechterhalten. Diese hohe Spannung kann den Ruhekreis erheblich beschädigen. Daher müssen wir die Diode parallel zur induktiven Last verwenden, um die Schaltung vor induzierten Spannungen der induktiven Last zu schützen.,
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Transistor zum Antrieb des Motors
- Ein Transistor kann auch verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors unidirektional zu steuern und zu regulieren, indem der Transistor in regelmäßigen Zeitintervallen geschaltet wird, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
- Wie oben erwähnt, ist der Gleichstrommotor auch eine induktive Last, daher müssen wir eine Freilaufdiode darüber platzieren, um den Stromkreis zu schützen.
- Durch Umschalten des Transistors in Cutoff-und Sättigungsbereichen können wir den Motor wiederholt EIN-und AUSSCHALTEN.,
- Es ist auch möglich, die Drehzahl des Motors vom Stillstand auf volle Drehzahl zu regulieren, indem der Transistor mit variablen Frequenzen geschaltet wird. Wir können die Schaltfrequenz vom Steuergerät oder IC wie Mikrocontroller erhalten.
