Jak Používat Tranzistor jako Spínač

Někdy pochopení toho, jak nejjednodušší elektronické obvody práce může být zastrašující a/nebo matoucí pro student, nadšenec, nebo nováček. Pokud si dobře pamatuji (v 17. století), polovina lidí v mé třídě elektroniky vypadla po prvním semestru. Vrhněte kurz na kalkul a budete svědky zuřivého úprku za východními dveřmi. Koho obviňujeme z této propastné míry poklesu-studentů, učitelů nebo učebních osnov?, Andrew Carnegie byl jednou dotázán: „co je důležitější: práce, kapitál nebo mozky?“Jeho odpověď zněla:“ jaká je nejdůležitější noha na třínohé stoličce?“

bohužel odpověď na otázku viny je nad rámec tohoto článku. Důležité by mělo být prezentovat předmět elektroniky takovým způsobem, který usnadňuje každému, kdo se učí. S ohledem na to se podívejme na jeden z těch jednoduchých a všudypřítomných obvodů: tranzistorový spínač. Nebojte se, není zde nic náročnějšího než násobení, dělení, sčítání a odčítání., Takže začneme!

tranzistor jako přepínač

podívejte se na obrázek 1. Ukazuje typický univerzální (NPN) tranzistor/LED obvod. Pokud připojíte +5 voltů do Vcc v tomto obvodu a pulzujete vstupní svorkou (Vin) s +5V, 0V, +5V atd., LED se podle toho zapne a vypne. Samozřejmě, aby tento obvod fungoval správně, musíte vypočítat správné hodnoty rezistoru pro RC a RB. Jak to děláš? No, čtěte dál.

OBRÁZEK 1.,

než začneme, je třeba poznamenat, že tranzistor budeme používat jako jednoduchý přepínač a ne jako zesilovač. Nezapomeňte, že tranzistory mohou fungovat buď jako zesilovač nebo spínač. Pokud používáte tranzistor k zesílení signálu, tranzistor se říká, že pracuje v“ aktivní „nebo“ lineární “ oblasti.

jděte do tranzistoru teorie, aktivní oblast zahrnuje rozsah provozních bodů (Google „tranzistor charakteristické křivky“), při které tranzistor bude zesilovat signál bez zkreslení.,

na druhou stranu, když se tranzistor používá jako spínač, pracuje v takzvaném „digitálním“ režimu (zapnuto/vypnuto). V tomto stavu provozu tranzistor žádným způsobem“ nezesiluje “ vstupní napětí (VIN). Chcete-li použít tranzistor jako spínač, stačí zvýšit proud na základní svorce na určitou úroveň a tranzistor přejde do stavu běžně známého jako „saturace“.,“Jedná se o stav (provozní režim), kdy bez ohledu na to, kolik dalšího proudu je čerpáno do základní svorky tranzistoru, proud kolektoru se dále nezvýší.

jakmile je tranzistor v saturačním režimu, působí stejně jako uzavřený mechanický spínač SPST (viz Obrázek 2). Na druhé straně, když je tranzistor vypnutý (žádný základní proud), přejde do režimu „cut-off“ (zcela vypnutý). Jednoduše řečeno, tranzistor je buď zapnutý nebo vypnutý — zesílení je nehmotné.

OBRÁZEK 2.,

dobře, nyní, když znáte rozdíl mezi tranzistorovým zesilovačem a spínačem, použijeme tranzistor jako přepínač, abychom zapnuli a vypnuli LED.

zkontrolujte datový list

prvním krokem je Google datových listů pro LED I tranzistor. V datovém listu LED si všimnete výpisu maximálního dopředného proudu (IF). Většina populárních LED s průchozím otvorem o průměru 5 mm má maximální proud někde kolem 20 mA.

jakmile je stanoveno maximální hodnocení LED, co s těmito informacemi uděláme?, No, to znamená, že musíme snížit maximální hodnocení 20 mA na bezpečnou aktuální úroveň, aby LED nebyla zničena. Dobrým výchozím bodem je někde mezi 5 a 15 mA-v závislosti na tom, jak jasný LED potřebujete. Zde se dohodneme na nastavení maximálního proudu(IC (MAX)), který protéká naší LED na 15 mA. Nyní pokračujte a použijte Ohmův zákon k výpočtu hodnoty kolektorového rezistoru (Rc). Vzorec je uveden níže; předpokládejme, že máme +5V jako náš napájecí zdroj (Vcc) a(IC (MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC (MAX).015

vypočítali jste hodnotu 333.33 ohmů pro RC? Máš pravdu!, Dobře, zastavte se – máme problém! Výše uvedený vzorec chybí několik velmi důležitých elektrických parametrů. Chybí skutečnost, že jak LED, tak tranzistor — když jsou zapnuty — mají pokles napětí na svých svorkách a to musí být zohledněno ve vzorci.

univerzální tranzistor klesne .1 na .3 volty přes terminály kolektoru/emitoru (vce (sat); viz katalogový list) v režimu saturace (plně zapnuto)., Jakmile tranzistor nasycuje, kolektorový proud dosáhne úrovně nebo plošiny, kde žádné další zvýšení základního proudu nezpůsobí další zvýšení kolektorového proudu. V „teorii“ by v tomto bodě měl být pokles napětí kolektoru/emitoru (vce (sat)) nulový, pokud tranzistor pracoval jako mechanický spínač SPST.

nezapomeňte, že mechanický spínač nemá při převrácení do zapnutého stavu žádný pokles napětí, protože mezi kontakty není žádný odpor., Na druhé straně tranzistory mají při zapnutí malé množství odporu přes svorky kolektoru/emitoru (RCE), a proto pokles napětí.

kromě poklesu napětí tranzistoru klesne LED při zapnutí někde mezi 1,2 a 3 volty (zkontrolujte datový list pod VF). Proto pro výpočet správné hodnoty pro rezistor Rc musí být do vzorce zahrnut pokles napětí přes kolektor/emitor (VCE(sat)) a pokles napětí přes LED (v(LED))., Takže, tady je to samá ohmův Zákon vzorec upraven tak, aby účet pro všechny poklesy napětí:

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX.)

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)
Rc = 5 – 1.9 – .1
.015
Rc = 200 ohmů

výpočet ukazuje, že potřebujeme odpor 200 ohmů pro Rc, abychom omezili proud LED na bezpečných 15 mA. Všimněte si, že kdybychom použili základní Ohmův zákonný vzorec(Rc = Vcc / IC (MAX)), RC by bylo 333.33 ohmů. Skutečný problém s použitím 333.,33 ohm rezistor pro RC začíná, když jste vlastně prkénko obvodu, jen aby zjistil aktuální tebe očekává, že prostřednictvím LED není požadováno 15 mA, ale 9.2 mA (39% ztráta). Pokud tedy do výpočtu nepřidáte pokles napětí LED I tranzistoru, vaše LED nebude tak jasná, jak se očekávalo.

zkuste se podívat na LED a tranzistor jako malé odpory. V sériovém obvodu byste přidali všechny hodnoty odporu dohromady, abyste získali celkový odpor, že? No, všechno, co tady děláme, je účtování všech poklesů napětí v sériovém obvodu.,

obrázek 3 jasně ukazuje, co se stane s kolektorovým proudem (IC(MAX)), když do vzorce nezahrnete všechny poklesy napětí.

OBRÁZEK 3.

základna pro ovládání

otázkou nyní je, jak ovládáte tranzistor, takže se zapíná a vypíná? Musíme udělat dvě věci: 1. Najděte správný tranzistorový základní proud (IB), který nasytí tranzistor. 2. Vypočítejte hodnotu odporu pro základní odpor RB (viz Obrázek 1)., Vzorec pro zjištění základu proud je:

IB(EOS) = IC(MAX)
Beta (min)

Všimněte si tady, s cílem nalézt základní proud (IB), vydělíme maximální kolektorový proud (IC(MAX)) chceme jít přes LED (15 mA) minimální Beta uvedeny na katalogovém listu (hFE). Co je Beta? Beta — také známý jako DC current gain — je poměr, o tom, jak moc aktuální zisk můžete očekávat, že přes tranzistor je sběratel terminálu určité množství proudu do základny svorky. Jinými slovy, základní proud řídí kolektorový proud., Je to něco jako malý vodní ventil, který řídí tok vody protékající velkou trubkou.

poté, co řekl vše – a to je velmi důležité-Beta (zisk) se používá pouze v designu zesilovače. Když používáte tranzistor jako přepínač (digitální režim), Beta má malý účinek nebo význam, protože tranzistor nefunguje v aktivní oblasti, ve které zesilovače pracují. Jakmile je tranzistorový spínač v režimu saturace, nedochází k žádnému zisku kolektorového proudu nad saturací.,

jinými slovy, jakmile tranzistor spínače dosáhne bodu nasycení, zesílení vzorce IC = Beta x IB již neplatí, protože pokles napětí kolektor/emitor terminály (VCE(sat)) dosáhla své nejnižší saturace napětí .1V. když VCE(sat) dosáhne této úrovně napětí, kolektorový proud se nemůže zvýšit za tento bod — i když se základní proud stále zvyšuje.

nezapomeňte, že tranzistor pracující v digitálním režimu (on / off) je buď v režimu saturace (plně zapnutý), nebo v režimu cut-off (plně vypnutý)., Proto jakákoli úroveň kolektorového proudu (Ic) mezi dvěma stavy saturace a cut-off není důležitá pro fungování tranzistorového spínače — je to důležité pouze pro návrháře zesilovačů.

dobře, takže jakou hodnotu použijeme pro Beta ve vzorci k nalezení základního proudu (IB)? Standardní pravidlo říká, že byste měli použít minimální Beta (hFE) uvedené v datasheetu. Bohužel minimální Beta uvedená v datovém listu umístí tranzistor pouze na okraj saturace (EOS)., Protože tranzistory jsou citlivé na změny teploty, změna teploty by mohla vynutit tranzistor přesunout z EOS do „aktivní“ oblasti (zesilovač regionu).

proto, abychom tuto možnost vyloučili, používáme to, co je známé jako „Overdrive Factor“ (ODF). To je libovolné číslo mezi 2 a 10, který se používá, aby se ujistili, že tranzistor je řízený tvrdě do nasycení (plně zapnuto) — a kde změny teploty nepodaří drop tranzistoru ze saturace. IB se proto rovná:

IB = IB(EOS) x ODF
↓
IB = IC (MAX) x ODF
Beta (min)
IB = .,015 x ODF
100
IB = .15 mA x 10
IB = 1,5 mA
Všimněte si, ve výše uvedeném vzorci, pomocí ODF 10 jsme zvýšit základní proud 150 µA do 1,5 mA, což zaručuje, že tranzistor je nucen do hluboké saturace. Například, pokud datasheet uvedeny Beta (min) 75, a budete potřebovat kolektor proud (IC(MAX)) 25 mA, IB by .333 mA (.000333A). Bohužel 333 µA by tranzistor umístil pouze na EOS. Použitím ODF 10 zvýšíme základní proud (IB) na 3,3 mA — daleko za EOS a do hluboké saturace.,

Nyní, když jsme vytvořili základní proud (IB) 1,5 mA, je zapotřebí k nasycení našeho tranzistoru, vypočítáme hodnotu odporu potřebnou pro základní odpor RB. Opět používáme Ohmův zákon pro výpočet pro RB:

RB = VIN-VBE (sat)
IB
RB = 5 – .6
.0015
RB = 2933.33 ohmů

Všimněte si, ve výše uvedeném vzorci, které VBE(sat), je nutné základní napětí, které musí být přítomny, aby předal-zkreslení tranzistoru je báze/emitor junction (tj. otočit tranzistor). Obecně řečeno, tato hodnota je mezi .6 na .7 voltů pro univerzální tranzistor., Vždy zkontrolujte VBE(sat) uvedené v datovém listu k ověření.

obrázek 4 ukazuje hotový LED obvod se všemi komponenty a elektrickými parametry jasně označenými(Ohmův zákon byl také použit pro výpočet odporu pro R(LED) A R (CE))).

OBRÁZEK 4.

nyní máme správné hodnoty odporu, abychom mohli bezpečně provozovat led a tranzistorový obvod: Rc = 200 ohmů; a RB = 2933.33 ohmů.

jsem si jistý, že jste si všimli, že naše 2.,Rezistor 933K není standardní velikost, kterou můžete skutečně zakoupit kdekoli. Pravidlo v tomto případě uvádí, že můžete použít další standardní hodnotu odporu pod 2,933 K (2,7 K až 2,87 K). Proč?

nižší odpor pouze pomáhá snížit šanci na tranzistoru při pádu z sytost režim v průběhu teploty a napájení variace zvýšením základní proud (tj. tranzistor jde ještě hlouběji do nasycení).

rekapitulace

podívejme se na všechny kroky potřebné k použití tranzistoru jako spínače:

1. Stáhněte si Datové listy pro LED a tranzistor.,
2. určete maximální proud (IC (MAX)), který chcete projít LED a tranzistorem, a ověřte, zda nepřekračuje maximální proud LED (IF) nebo tranzistoru (Ic); viz katalogový list.
3. Vypočítejte hodnotu rezistoru Rc. Nezapomeňte do vzorce Ohmova zákona zahrnout poklesy napětí pro LED (v(LED)) a tranzistor (vce(sat)).
4. Vypočítejte základní proud tranzistoru IB pomocí ODF 10.
5. Vypočítejte hodnotu odporu pro základní odpor RB.

to je vše. Trochu snadné-No, možná ne.,

DŮLEŽITÉ BODY

1. obvod designer () určuje, co správné tranzistoru kolektorový proud (IC(sat)) by měly být při pohledu na LED/katalogové listy tranzistoru a ověření, že proud, který teče přes tranzistor/LED obvodu je nižší než maximální hodnocení pro obě zařízení. Jinými slovy, saturační proud(IC (sat)) protékající tranzistorovým spínačem není určen vnitřními elektrickými parametry tranzistoru, ale spíše externími součástmi (odpor/LED) zaměstnanými návrhářem obvodů.,
2. Beta (DC gain), jak je uvedeno v datasheetu, nemá žádný význam, pokud se tranzistor používá jako spínač (saturace/cut-off). Pouze návrháři zesilovačů se starají o různé úrovně kolektorového proudu (zisk) mezi saturací a přerušením. Jinými slovy, jakékoli úrovni kolektorový proud mezi dva provozní stavy „sytost“ a „cut-off“ (tj. aktivní oblast), není důležitý pro fungování tranzistoru obvodu spínače.
3. „saturace“ v tranzistorovém spínacím obvodu je dosažena, když je napětí přes kolektor/ emitor (vce(sat)) menší nebo rovno .,1 na .3 volty-v závislosti na typu tranzistoru. V tomto bodě napětí se zdá, že tranzistor funguje jako jednoduchý mechanický spínač SPST, který byl uzavřen (zapnut).

závěrečná poznámka

na osobní poznámku, když jsem prkénko obvod používám pouze průchozí otvor, červená, průměr 5 mm, ultra-bright, voda-clear dome 640 nm LED. Zkoušel jsem Jiné LED diody, ale LED diody s průzračnou vodou jsou nejlepší. Jsou tak jasné, že vám ublížily oči-bez legrace!

objednejte si sáček led diod od Digi-Key, Jameco nebo Mouser pro váš další projekt – usnadňuje život., NV

Fakta o Tranzistorový Spínač

1. Jakékoliv úrovni kolektorový proud (Ic) v období mezi dvěma státy nasycení a cut-off není důležité, aby design nebo funkci tranzistorového spínače — to je jen důležité, aby zesilovač návrhářů.,
2. při použití tranzistoru jako přepínače (digitální režim) nemá DC Beta (hFE) žádný význam, protože tranzistor nepracuje v aktivní oblasti, ve které zesilovače pracují. Tranzistorový spínač je buď v režimu saturace (plně zapnutý) nebo v režimu vypnutí (zcela vypnutý). Jinými slovy, vzorec zisku Ic = Beta x Ib je neplatný za bod nasycení.
3. saturační proud (Ic(sat)) tekoucí přes tranzistor přepínač není určen tranzistor vnitřní elektrické parametry, ale spíše o externí komponenty (odpor/LED) zaměstnán circuit designer.,
4. Chcete-li vynutit tranzistorový spínač do hluboké saturace, návrhář obvodů přidá faktor overdrive k základnímu proudu.