In questo tutorial transistor, impareremo a conoscere il funzionamento di un transistor come interruttore. Commutazione e amplificazione sono le due aree di applicazioni di transistor e transistor come un interruttore è la base per molti circuiti digitali.
Outline
Introduzione
Come uno dei dispositivi a semiconduttore significativi, il transistor ha trovato uso in enormi applicazioni elettroniche come sistemi embedded, circuiti digitali e sistemi di controllo., In entrambi i domini digitali e analogici transistor sono ampiamente utilizzati per l’utilizzo di diverse applicazioni come amplificazione, operazioni logiche, commutazione e così via.
Questo articolo si concentra principalmente e fornisce una breve spiegazione dell’applicazione del transistor come interruttore.
Il transistor a giunzione bipolare o semplicemente BJT è un dispositivo a semiconduttore a tre strati, tre terminali e due giunti. Quasi in molte delle applicazioni questi transistor sono utilizzati per due funzioni di base come la commutazione e l’amplificazione.,
Il nome bipolare indica che due tipi di portatori di carica sono coinvolti nel funzionamento di un BJT. Questi due portatori di carica sono fori ed elettroni in cui i fori sono portatori di carica positiva e gli elettroni sono portatori di carica negativa.
Il transistor ha tre regioni, vale a dire base, emettitore e collettore. L’emettitore è un terminale fortemente drogato ed emette elettroni nella base. Il terminale di base è leggermente drogato e passa gli elettroni iniettati dall’emettitore al collettore., Il terminale del collettore è intermediately drogato e raccoglie gli elettroni dalla base. Questo collettore è grande rispetto ad altre due regioni in modo da dissipa più calore.
I BJT sono di due tipi NPN e PNP, entrambi funzionano allo stesso modo ma differiscono in termini di polarizzazione e polarità dell’alimentazione. Nel transistor PNP, tra due materiali di tipo P Il materiale di tipo N viene inserito mentre nel caso del transistor NPN il materiale di tipo P viene inserito tra due materiali di tipo N. Questi due transistor possono essere configurati in diversi tipi come emettitore comune, collettore comune e configurazioni di base comuni.,
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Le modalità operative dei transistor
Dipendono dalle condizioni di polarizzazione come forward o reverse, i transistor hanno tre principali modalità operative, ovvero le regioni di cutoff, active e saturation.
Modalità attiva
In questa modalità transistor è generalmente utilizzato come un amplificatore di corrente. In modalità attiva, due giunzioni sono diversamente polarizzate, il che significa che la giunzione emettitore-base è polarizzata in avanti mentre la giunzione collettore-base è polarizzata in retromarcia., In questa modalità i flussi di corrente tra emettitore e collettore e la quantità di flusso di corrente è proporzionale alla corrente di base.
Modalità di taglio
In questa modalità, sia la giunzione di base del collettore che la giunzione di base dell’emettitore sono invertite. Questo a sua volta non consente alla corrente di fluire dal collettore all’emettitore quando la tensione dell’emettitore di base è bassa. In questa modalità dispositivo è completamente spento come il risultato la corrente che scorre attraverso il dispositivo è zero.,
Modalità di saturazione
In questa modalità di funzionamento, sia la base dell’emettitore che le giunzioni della base del collettore sono prevenute. La corrente scorre liberamente dal collettore all’emettitore quando la tensione dell’emettitore di base è alta. In questa modalità il dispositivo è completamente acceso.
La figura seguente mostra le caratteristiche di uscita di un transistor BJT. Nella figura seguente la regione di taglio ha le condizioni operative come corrente di uscita del collettore zero, corrente di ingresso base zero e tensione massima del collettore., Questi parametri causano un grande strato di esaurimento che ulteriormente non consente alla corrente di fluire attraverso il transistor. Pertanto, il transistor è completamente in condizioni OFF.
Allo stesso modo, nella regione di saturazione, un transistor è polarizzato in modo tale che viene applicata la massima corrente di base che risulta massima corrente del collettore e minima tensione del collettore-emettitore. Ciò fa sì che lo strato di esaurimento diventi piccolo e consenta il massimo flusso di corrente attraverso il transistor. Pertanto, il transistor è completamente in condizione.,
Quindi, dalla discussione di cui sopra, possiamo dire che i transistor possono essere fatti funzionare come interruttore a stato solido ON / OFF operando transistor nelle regioni di taglio e saturazione. Questo tipo di applicazione di commutazione viene utilizzato per il controllo di motori, carichi di lampade, solenoidi, ecc.
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Transistor come interruttore
Un transistor viene utilizzato per il funzionamento di commutazione per l’apertura o la chiusura di un circuito. Questo tipo di commutazione a stato solido offre affidabilità significativa e costi inferiori rispetto ai relè convenzionali.,
Entrambi i transistor NPN e PNP possono essere utilizzati come interruttori. Alcune delle applicazioni utilizzano un transistor di potenza come dispositivo di commutazione, a quel tempo potrebbe essere necessario utilizzare un altro transistor a livello di segnale per pilotare il transistor ad alta potenza.
Transistor NPN come interruttore
In base alla tensione applicata al terminale di base di un’operazione di commutazione transistor viene eseguita. Quando una tensione sufficiente (Vin > 0,7 V )viene applicata tra la base e l’emettitore, la tensione da collettore a emettitore è approssimativamente uguale a 0. Pertanto, il transistor agisce come un cortocircuito., La corrente del collettore Vcc / Rc scorre attraverso il transistor.
Allo stesso modo, quando nessuna tensione o tensione zero viene applicata all’ingresso, il transistor funziona nella regione di taglio e agisce come un circuito aperto. In questo tipo di collegamento di commutazione, il carico (qui lampada a LED) è collegato all’uscita di commutazione con un punto di riferimento. Pertanto, quando il transistor è acceso, la corrente fluirà dalla sorgente a terra attraverso il carico.,
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Esempio di transistor NPN come interruttore
Si consideri l’esempio seguente dove resistenza di base Rb = 50 k ohm, resistenza collettore Rc = 0.7 k ohm, Vcc è 5V e il valore beta è 125. All’ingresso di base viene dato un segnale che varia tra 0 e 5V, quindi vedremo l’uscita al collettore variando il Vi a due stati che è 0 e 5V come mostrato in figura.
Ic = Vcc/Rc quando VCE = 0
Ic = 5 V / 0.,7k ohm
Ic = 7.1 mA
Corrente di Base Ib = Ic / β
Ib = 7.1 mA/125
Ib = 56.8 µA
Dai calcoli di cui sopra, il valore massimo o il valore di picco della corrente di collettore del circuito è di 7.1 mA quando Vce è uguale a zero. E la corrente di base corrispondente a cui scorre la corrente del collettore è 56,8 µA. Quindi, è chiaro che quando la corrente di base viene aumentata oltre il micro ampere 56.8, il transistor entra in modalità saturazione.,
Considera il caso in cui zero volt viene applicato all’ingresso. Questo fa sì che la corrente di base zero e come l’emettitore è messa a terra, giunzione di base dell’emettitore non è prevenuto in avanti. Pertanto, il transistor è in condizione di SPENTO e il collettore tensione di uscita è pari a 5V.
Quando Vi = 0V, Ib = 0 e Ic =0,
Vc = Vcc – (Cicr)
= 5V – 0
= 5V
si Consideri che la tensione di ingresso applicata è di 5 volt, la corrente di base può essere determinata dall’applicazione di Kirchhoff tensione di legge.,
Quando Vi = 5V
Ib = (Vi – Vbe) / Rb
Per il silicio del transistor Vbe = 0.7 V
Così, Ib = (5V – 0.7 V)/ 50K ohm
= 86 µA che è maggiore rispetto a 56.8 µA
Pertanto la corrente di base è maggiore di 56.8 micro ampere di corrente, il transistor sarà guidata alla saturazione che è completamente quando 5V è applicato all’ingresso. Così l’uscita al collettore diventa approssimativamente zero.,
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Transistor PNP come interruttore
Il transistor PNP funziona come NPN per un’operazione di commutazione, ma la corrente scorre dalla base. Questo tipo di commutazione viene utilizzato per configurazioni di massa negative. Per il transistor PNP, il terminale di base è sempre polarizzato negativamente rispetto all’emettitore. In questa commutazione, la corrente di base scorre quando la tensione di base è più negativa. Semplicemente una bassa tensione o più tensione negativa rende transistor a corto circuito altrimenti sarà aperto in circuito o ad alta impedenza stato.,
In questa connessione, il carico è collegato all’uscita di commutazione del transistor con un punto di riferimento. Quando il transistor è acceso, la corrente scorre dalla sorgente attraverso il transistor al carico e infine a terra.
Esempio di PNP a Transistor come Interruttore
Simile a transistor NPN interruttore di circuito, circuito PNP ingresso è anche base, ma l’emettitore è collegato a tensione costante e il collettore è collegato a terra attraverso il carico come mostrato in figura.,
In questa configurazione la base è sempre polarizzata negativamente rispetto all’emettitore collegando la base sul lato negativo e l’emettitore sul lato positivo dell’alimentazione di ingresso. Quindi la tensione VBE è negativa e la tensione di alimentazione dell’emettitore rispetto al collettore è positiva (VCE positiva).
Pertanto, per la conduzione di transistor emettitore deve essere più positivo rispetto sia al collettore e base. In altre parole la base deve essere più negativa rispetto all’emettitore.,
Per calcolare le correnti di base e di raccolta vengono utilizzate le seguenti espressioni.
Ic = Ie – Ib
Ic = β. Ib
Ib = Ic/β
Considera l’esempio precedente, che il carico richiede 100 milli ampere di corrente e il transistor ha il valore beta di 100., Quindi la corrente necessaria per la saturazione del transistor
Minima corrente di base = corrente di collettore / β
= 100 mA / 100
= 1
Quindi, quando la corrente di base è di 1 mA, il transistor sarà completamente acceso. Ma praticamente il 30 percento di più corrente è richiesto per la saturazione garantita del transistor. Quindi, in questo esempio la corrente di base richiesta è 1.3 mA.,
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Esempi pratici comuni di transistor come interruttore
Transistor per commutare il LED
Come discusso in precedenza che il transistor può essere utilizzato come interruttore. Lo schema seguente mostra come un transistor viene utilizzato per commutare il diodo ad emissione luminosa (LED).
- Quando l’interruttore al terminale di base è aperto, nessuna corrente scorre attraverso la base in modo che il transistor sia nello stato di taglio. Pertanto, il circuito agisce come circuito aperto e il LED si spegne.,
- Quando l’interruttore è chiuso, la corrente di base inizia a fluire attraverso il transistor e quindi guida i risultati di saturazione per accendere il LED.
- I resistori sono posizionati per limitare le correnti attraverso la base e il LED. È anche possibile variare l’intensità del LED variando la resistenza nel percorso della corrente di base.
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Transistor per Azionare il Relè
è anche possibile controllare il funzionamento del relè utilizzando un transistor., Con una piccola disposizione circuitale di un transistor in grado di eccitare la bobina del relè in modo che il carico esterno ad esso collegato sia controllato.
- Considerare il circuito sottostante per conoscere il funzionamento di un transistor per eccitare la bobina del relè. L’ingresso applicato alle cause di base per guidare il transistor nella regione di saturazione, che ulteriori risultati il circuito diventa corto circuito. Quindi la bobina del relè viene eccitata e i contatti del relè vengono azionati.,
- Nei carichi induttivi, in particolare nella commutazione di motori e induttori, l’improvvisa rimozione della potenza può mantenere un alto potenziale attraverso la bobina. Questa alta tensione può causare danni considerevoli al circuito di riposo. Pertanto, dobbiamo utilizzare il diodo in parallelo con il carico induttivo per proteggere il circuito dalle tensioni indotte del carico induttivo.,
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Transistor per pilotare il Motore
- Un transistor può anche essere usato per guidare e regolare la velocità del motore di CC in modo unidirezionale dalla commutazione del transistor a intervalli regolari di tempo, come illustrato nella figura seguente.
- Come accennato in precedenza, il motore a corrente continua è anche un carico induttivo, quindi dobbiamo posizionare un diodo a ruota libera su di esso per proteggere il circuito.
- Commutando il transistor nelle regioni di taglio e saturazione, possiamo accendere e spegnere ripetutamente il motore.,
- È anche possibile regolare la velocità del motore da fermo a piena velocità commutando il transistor a frequenze variabili. Possiamo ottenere la frequenza di commutazione dal dispositivo di controllo o IC come microcontrollore.
