w tym poradniku tranzystora poznamy pracę tranzystora jako przełącznika. Przełączanie i wzmocnienie to dwa obszary zastosowań tranzystorów, a tranzystor jako przełącznik jest podstawą wielu układów cyfrowych.
zarys
wprowadzenie
jako jeden ze znaczących urządzeń półprzewodnikowych, tranzystor znalazł zastosowanie w ogromnych aplikacjach elektronicznych, takich jak systemy wbudowane, obwody cyfrowe i systemy sterowania., Zarówno w domenach cyfrowych, jak i analogowych tranzystory są szeroko stosowane do różnych zastosowań, takich jak wzmocnienie, operacje logiczne, przełączanie i tak dalej.
Ten artykuł koncentruje się głównie i zawiera krótkie wyjaśnienie zastosowania tranzystora jako przełącznika.
dwubiegunowy Tranzystor złączowy lub po prostu BJT jest trójwarstwowym, trzema terminalami i dwoma złączami półprzewodnikowymi. Niemal w wielu zastosowaniach Tranzystory te są używane do dwóch podstawowych funkcji, takich jak przełączanie i wzmacnianie.,
Nazwa bipolar wskazuje na to, że dwa rodzaje nośników ładunku są zaangażowane w pracę BJT. Te dwa nośniki ładunku są dziurami i elektronami, gdzie dziury są dodatnimi nośnikami ładunku, a elektrony są ujemnymi nośnikami ładunku.
tranzystor ma trzy regiony, mianowicie bazę, emiter i kolektor. Emiter jest silnie domieszkowanym terminalem i emituje elektrony do bazy. Terminal bazowy jest lekko domieszkowany i przekazuje elektrony wstrzyknięte przez emiter do kolektora., Terminal kolektora jest półproduktywnie domieszkowany i zbiera elektrony z bazy. Ten kolektor jest duży w porównaniu z innymi dwoma regionami, więc rozprasza więcej ciepła.
BJT są dwóch typów NPN i PNP, oba działają tak samo, ale różnią się pod względem biasingu i polaryzacji zasilania. W tranzystorze PNP pomiędzy dwoma materiałami typu P materiał typu N jest umieszczony, podczas gdy w przypadku tranzystora NPN materiał typu P jest umieszczony między dwoma materiałami typu N. Te dwa tranzystory można skonfigurować w różnych typach, takich jak wspólny emiter, wspólny kolektor i wspólne konfiguracje bazy.,
powrót do góry
tryby pracy tranzystorów
w zależności od warunków biasingu, takich jak przód lub tył, Tranzystory mają trzy główne tryby pracy, a mianowicie regiony odcięcia, aktywne i nasycenia.
Tryb aktywny
w tym trybie tranzystor jest zwykle używany jako wzmacniacz prądu. W trybie aktywnym dwa złącza są odmiennie tendencyjne, co oznacza, że złącze emiter-baza jest tendencyjne do przodu, podczas gdy złącze kolektor-baza jest tendencyjne do tyłu., W tym trybie prąd przepływa między emiterem a kolektorem, a wielkość przepływu prądu jest proporcjonalna do prądu podstawowego.
tryb odcięcia
w tym trybie zarówno złącze bazy kolektora, jak i złącze bazy emitera są odwrotne. To z kolei nie pozwala na przepływ prądu z kolektora do emitera, gdy napięcie baza-emiter jest niski. W tym trybie urządzenie jest całkowicie wyłączone, w wyniku czego prąd przepływający przez urządzenie wynosi zero.,
tryb nasycenia
w tym trybie pracy zarówno baza emitera, jak i baza kolektora są przesunięte do przodu. Prąd płynie swobodnie od kolektora do emitera, gdy napięcie bazy-emitera jest wysokie. W tym trybie urządzenie jest w pełni włączone.
poniższy rysunek przedstawia charakterystykę wyjściową tranzystora BJT. Na poniższym rysunku obszar odcięcia ma warunki pracy jako zerowy prąd wyjściowy kolektora, zerowy podstawowy prąd wejściowy i maksymalne napięcie kolektora., Parametry te powodują powstanie dużej warstwy wyczerpującej, która dodatkowo nie pozwala na przepływ prądu przez tranzystor. Dlatego tranzystor jest całkowicie wyłączony.
podobnie w obszarze nasycenia tranzystor jest tendencyjny w taki sposób, że stosuje się maksymalny prąd bazowy, który powoduje maksymalny prąd kolektora i minimalne napięcie kolektora-emitera. Powoduje to, że warstwa zubożenia staje się mała i umożliwia maksymalny przepływ prądu przez tranzystor. Dlatego tranzystor jest w pełni w stanie.,
stąd, z powyższej dyskusji, możemy powiedzieć, że tranzystory mogą pracować jako włącznik / wyłącznik półprzewodnikowy, obsługując tranzystor w regionach odcięcia i nasycenia. Ten typ aplikacji przełączania służy do sterowania silnikami, obciążeniami lamp, elektromagnesami itp.
powrót do góry
tranzystor jako przełącznik
tranzystor służy do przełączania operacji otwierania lub zamykania obwodu. Tego typu przełączanie półprzewodnikowe oferuje znaczną niezawodność i niższe koszty w porównaniu z konwencjonalnymi przekaźnikami.,
zarówno Tranzystory NPN, jak i PNP mogą być używane jako przełączniki. Niektóre aplikacje wykorzystują tranzystor mocy jako urządzenie przełączające, w tym czasie może być konieczne użycie innego tranzystora poziomu sygnału do napędu tranzystora dużej mocy.
Tranzystor NPN jako przełącznik
na podstawie napięcia przyłożonego na zacisku bazowym tranzystora wykonywana jest operacja przełączania. Gdy pomiędzy bazą a emiterem znajduje się wystarczające napięcie (Vin > 0.7 V), napięcie kolektora do emitera jest w przybliżeniu równe 0. Dlatego tranzystor działa jak zwarcie., Prąd kolektora Vcc / Rc przepływa przez tranzystor.
podobnie, gdy na wejściu nie jest przyłożone napięcie lub napięcie zerowe, tranzystor działa w obszarze odcięcia i działa jako obwód otwarty. W tego typu połączeniach przełączających obciążenie (tutaj Lampa LED) jest podłączone do wyjścia przełączającego z punktem odniesienia. Tak więc, gdy tranzystor jest włączony, prąd będzie płynął ze źródła do masy przez obciążenie.,
powrót do góry
przykład tranzystora NPN jako przełącznika
rozważ poniższy przykład, w którym rezystancja podstawowa Rb = 50 k ohm, rezystancja kolektora RC = 0.7 k ohm, Vcc to 5V, a wartość beta to 125. Na wejściu podstawowym podawany jest sygnał o wartości od 0 do 5V, więc zobaczymy wyjście w kolektorze zmieniając Vi w dwóch stanach, które wynoszą 0 i 5V, jak pokazano na rysunku.
Ic = Vcc/RC when VCE = 0
Ic = 5V / 0.,7k ohm
Ic = 7.1 ma
prąd podstawowy IB = IC / β
IB = 7.1 mA/125
IB = 56.8 µA
z powyższych obliczeń wynika, że maksymalna lub szczytowa wartość prądu kolektora w obwodzie wynosi 7.1 ma, gdy VCE jest równe zeru. A odpowiadający temu prąd bazowy, do którego płynie prąd kolektora, wynosi 56,8 µA. Jasne jest więc, że gdy prąd podstawowy zostanie zwiększony poza 56,8 mikro Ampera, tranzystor przechodzi w tryb nasycenia.,
rozważ przypadek, gdy na wejściu zostanie zastosowany zero volt. Powoduje to zerowy prąd bazowy, a ponieważ emiter jest uziemiony, złącze bazowe emitera nie jest wysunięte do przodu. Dlatego tranzystor jest w stanie wyłączonym, A Napięcie wyjściowe kolektora jest równe 5V.
gdy Vi = 0V, Ib = 0 i Ic =0,
Vc = Vcc – (IcRc)
= 5V – 0
= 5V
weź pod uwagę, że przyłożone napięcie wejściowe wynosi 5 V, wtedy prąd podstawowy można określić stosując prawo napięciowe Kirchhoffa.,
gdy Vi = 5V
Ib = (Vi – Vbe) / Rb
dla tranzystora krzemowego Vbe = 0.7 V
tak więc, IB = (5V – 0.7 V)/ 50k Ohm
= 86 µA, który jest większy niż 56.8 µA
dlatego prąd podstawowy jest większy niż 56.8 mikro Ampera prądu, tranzystor będzie doprowadzony do nasycenia, które jest w pełni włączone, gdy 5V jest stosowane na wejściu. W ten sposób wyjście w kolektorze staje się w przybliżeniu zerowe.,
powrót do góry
Tranzystor PNP jako przełącznik
Tranzystor PNP działa tak samo jak NPN dla operacji przełączania, ale prąd płynie z bazy. Ten rodzaj przełączania jest używany do ujemnych konfiguracji uziemienia. Dla tranzystora PNP terminal bazowy jest zawsze negatywnie nastawiony względem emitera. W tym przełączaniu prąd bazowy płynie, gdy napięcie bazowe jest bardziej ujemne. Po prostu niskie napięcie lub bardziej ujemne napięcie powoduje zwarcie tranzystora, w przeciwnym razie będzie to stan otwarty lub o wysokiej impedancji.,
w tym połączeniu obciążenie jest podłączone do wyjścia przełączającego tranzystora z punktem odniesienia. Gdy tranzystor jest włączony, prąd płynie ze źródła przez tranzystor do obciążenia, a na koniec do masy.
przykład tranzystora PNP jako przełącznika
podobnie jak obwód przełącznika tranzystora NPN, wejście obwodu PNP jest również bazą, ale emiter jest podłączony do stałego napięcia, a kolektor jest podłączony do masy poprzez obciążenie, jak pokazano na rysunku.,
w tej konfiguracji baza jest zawsze negatywnie nastawiona w stosunku do emitera poprzez połączenie bazy po stronie ujemnej i emitera po stronie dodatniej zasilania wejściowego. Tak więc napięcie VBE jest ujemne, a napięcie zasilania emitera w odniesieniu do kolektora jest dodatnie (VCE dodatnie).
dlatego dla przewodzenia tranzystora emiter musi być bardziej dodatni zarówno w odniesieniu do kolektora, jak i podstawy. Innymi słowy baza musi być bardziej negatywna w stosunku do emitera.,
do obliczania prądów bazowych i kolektorów stosuje się następujące wyrażenia.
Ic = Ie – Ib
Ic = β. Ib
IB = IC/β
rozważ powyższy przykład, że obciążenie wymaga prądu 100 mili amperów, a tranzystor ma wartość beta 100., Następnie prąd wymagany do nasycenia tranzystora wynosi
minimalny prąd podstawowy = prąd kolektora / β
= 100 mA / 100
= 1mA
dlatego, gdy prąd podstawowy wynosi 1 mA, tranzystor będzie w pełni włączony. Ale praktycznie 30 procent więcej prądu jest wymagane dla gwarantowanego nasycenia tranzystora. W tym przykładzie wymagany prąd podstawowy wynosi 1,3 mA.,
powrót do góry
popularne praktyczne przykłady tranzystora jako przełącznika
Tranzystor do przełączania diody LED
jak wspomniano wcześniej, że tranzystor może być używany jako przełącznik. Poniższy schemat pokazuje, jak tranzystor jest używany do przełączania diody elektroluminescencyjnej (LED).
- gdy przełącznik na terminalu bazowym jest otwarty, żaden prąd nie przepływa przez bazę, więc tranzystor jest w stanie odcięcia. Dlatego obwód działa jak obwód otwarty, a dioda LED wyłącza się.,
- gdy przełącznik jest zamknięty, prąd podstawowy zaczyna przepływać przez tranzystor, a następnie doprowadza do wyników nasycenia, aby dioda LED stała się włączona.
- Rezystory są umieszczone w celu ograniczenia prądów przez podstawę i diodę LED. Możliwa jest również zmiana natężenia diody LED poprzez zmianę rezystancji w podstawowej ścieżce prądowej.
powrót do góry
Tranzystor do obsługi przekaźnika
możliwe jest również sterowanie pracą przekaźnika za pomocą tranzystora., Z małym układem obwodu tranzystora zdolnym do zasilania cewki przekaźnika, tak aby zewnętrzne obciążenie z nim połączone było kontrolowane.
- rozważ poniższy obwód, aby poznać działanie tranzystora do zasilania cewki przekaźnika. Wejście zastosowane u podstawy powoduje wbicie tranzystora w obszar nasycenia, co dodatkowo skutkuje zwarciem obwodu. Tak więc cewka przekaźnika zostaje zasilona i Styki przekaźnika zostają uruchomione.,
- w przypadku obciążeń indukcyjnych, w szczególności przełączania silników i cewek indukcyjnych, nagłe usunięcie mocy może utrzymać wysoki potencjał w całej cewce. To wysokie napięcie może spowodować znaczne uszkodzenie obwodu spoczynkowego. Dlatego musimy używać diody równolegle z obciążeniem indukcyjnym, aby chronić obwód przed indukowanymi napięciami obciążenia indukcyjnego.,
powrót do góry
Tranzystor do napędzania silnika
- tranzystor może również służyć do napędzania i regulowania prędkości silnika PRĄDU STAŁEGO w sposób jednokierunkowy poprzez przełączanie tranzystora w regularnych odstępach czasu.pokazano na poniższym rysunku.
- jak wspomniano powyżej, silnik PRĄDU STAŁEGO jest również obciążeniem indukcyjnym, więc musimy umieścić diodę wolnego koła na nim, aby chronić obwód.
- przełączając tranzystor w regionach odcięcia i nasycenia, możemy wielokrotnie włączać i wyłączać silnik.,
- możliwe jest również regulowanie prędkości obrotowej silnika od postoju do pełnej prędkości poprzez przełączanie tranzystora o zmiennych częstotliwościach. Możemy uzyskać Częstotliwość przełączania z urządzenia sterującego lub mikrokontrolera typu IC.
