Sådan at Bruge en Transistor som en Switch

nogle gange forstå, hvordan den enkleste af elektroniske kredsløb arbejde kan være skræmmende, og/eller forvirrende for den studerende, hobby, eller uerfarne. Hvis jeg husker rigtigt (tilbage i det 17.århundrede), faldt halvdelen af folkene i min elektronikklasse ud efter første semester. Kast i et kursus på calculus og du vil opleve en rasende bisse for e .it døren. Hvem har vi skylden for denne abysmal frafald Sats-studerende, lærere, eller pensum?, Andre?Carnegie blev engang spurgt, “Hvad er mere vigtigt: arbejdskraft, kapital, eller hjerner?”Hans Svar var,” Hvad er det vigtigste ben på en trebenet afføring?”

Desværre er svaret på skylden spørgsmålet uden for denne artikels anvendelsesområde. Det, der skal være vigtigt, er at præsentere emnet elektronik på en sådan måde, der gør det nemt for alle at lære. Med det i tankerne, lad os se på et af disse enkle og allestedsnærværende kredsløb: transistorkontakten. Bare rolig, der er ikke noget mere udfordrende her end multiplikation, division, addition og subtraktion., Så lad os begynde!

en TRANSISTOR som en S .itch

se på figur 1. Det viser et typisk generelt formål (NPN) transistor/LED kredsløb. Hvis du tilslutter +5 volt til Vcc i dette kredsløb og pulser indgangsterminalen (Vin) med +5V, 0V, +5V, etc., blinker LED ‘ en til og fra i overensstemmelse hermed. For at få dette kredsløb til at fungere korrekt, skal du selvfølgelig beregne de korrekte modstandsværdier for RC og RB. Hvordan gør du det? Nå, fortsæt med at læse.

FIGUR 1.,

før vi starter, skal det bemærkes, at vi bruger transistoren som en simpel s .itch og ikke som en forstærker. Husk, at transistorer kan fungere enten som en forstærker eller en s .itch. Hvis du bruger en transistor til at forstærke et signal, siges transistoren at fungere i det” aktive “eller” lineære ” område.

uden at gå for dybt ind i transistorteori indebærer den aktive region en række driftspunkter (Google “transistor characteristics curves”), hvor transistoren forstærker et signal uden forvrængning.,

På den anden side, når transistoren bruges som en s .itch, fungerer den i det, der kaldes “digital” – tilstand (on / off). I denne driftstilstand “forstærker” transistoren ikke indgangsspændingen (VIN) på nogen måde. For at bruge en transistor som en s .itch, alt hvad du skal gøre er at øge strømmen ved baseterminalen til et bestemt niveau, og transistoren vil gå ind i en tilstand, der almindeligvis kaldes “mætning.,”Dette er en tilstand (driftsform), hvor uanset hvor meget ekstra strøm der pumpes ind i transistorens baseterminal, vil kollektorstrømmen ikke stige yderligere.

Når en transistor er i mætningstilstand, fungerer den ligesom en lukket SPST-mekanisk afbryder (se figur 2). Til gengæld, når transistoren er slukket (ingen basisstrøm), går den i “cut-off” – tilstand (helt slukket). Kort sagt, transistoren er enten tændt eller slukket — forstærkning er uvæsentlig.

FIGUR 2.,

Okay, nu hvor du kender forskellen mellem en transistorforstærker og en s .itch, lad os bruge transistoren som en s .itch for at blinke en LED til og fra.

tjek databladet

det første skridt er at Google databladene for både LED og transistor. Du vil bemærke på LED-datablad en liste for den maksimale fremadgående strøm (hvis). De fleste af de populære LED ‘ er med 5 mm diameter gennemgående hul har en maksimal strømstyrke et sted omkring 20 mA.

når den maksimale LED-rating er etableret, hvad gør vi med disse oplysninger?, Nå, det betyder, at vi er nødt til at reducere MA 20 rating på 20 mA til et sikkert strømniveau, så LED ‘ en ikke ødelægges. Et godt udgangspunkt er et sted mellem 5 og 15 mA-afhængigt af hvor lys af en LED du har brug for. Lad os blive enige om at indstille den maksimale strøm (IC(MA.)), der strømmer gennem vores LED til 15 mA. Gå nu videre og brug Ohms lov til at beregne værdien for samlermodstanden (Rc). Formlen er angivet nedenfor; Antag, at vi har + 5V som vores strømforsyning (Vcc) og(IC (MA.)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC(MAX) .015

har du beregnet en værdi på 333, 33 ohm for RC? Du har ret!, Okay, stop lige der-vi har et problem! Formlen ovenfor mangler et par meget vigtige elektriske parametre. Hvad der mangler er det faktum, at både LED og transistor — når den er tændt — har et spændingsfald over deres terminaler, og dette skal redegøres for i formlen.

en generel transistor vil falde omkring .1 til .3 volt på tværs af samler – / emitterterminalerne (VCE (sat); se datablad), når de er i mætningstilstand (fuldt tændt)., Når en transistor mætter, kollektorstrømmen når et niveau eller plateau, hvor enhver yderligere stigning i basisstrømmen ikke vil medføre en yderligere stigning i kollektorstrømmen. I “teori” skal kollektor/emitter spændingsfaldet (VCE(sat)) på dette tidspunkt være nul, hvis transistoren arbejdede som en SPST mekanisk s .itch.

Husk, at en mekanisk s .itch ikke har noget spændingsfald, når den vendes til tændt tilstand, fordi der ikke er nogen modstand mellem kontakterne., På den anden side har transistorer en lille mængde modstand over kollektor/emitterterminaler (RCE), når de er tændt, og derfor et spændingsfald.

ud over transistorspændingsfaldet falder LED ‘ en også et sted mellem 1,2 og 3 volt, når den er tændt (kontroller databladet under VF). For at beregne den korrekte værdi for modstand Rc skal spændingsfaldet over kollektoren/emitteren (VCE(sat)) og spændingsfaldet over LED (V(LED)) derfor inkluderes i formlen., Så her er den samme Ohm ‘ s Lov, formel ændret for at tage højde for alle de spændingsfald:

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX.)

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

beregningen viser, at vi har brug for en 200 ohm modstand til Rc for at begrænse strømmen gennem LED til en sikker 15 mA. Bemærk, Hvis vi havde brugt den grundlæggende Ohms Lovformel(Rc = Vcc / IC (ma.)), ville RC være 333.33 ohm. Det virkelige problem med at bruge en 333.,33 ohm modstand til RC begynder, når du faktisk breadboard kredsløbet, kun at finde ud af den strøm, du forventede gennem LED er ikke den nødvendige 15 mA, men 9,2 mA (en 39% tab). Derfor, hvis du undlader at tilføje både LED-og transistorspændingsfald i beregningen, vil din LED ikke være så lys som forventet.

prøv at se på LED og transistor som små modstande. I et seriekredsløb vil du tilføje alle modstandsværdierne sammen for at få den samlede modstand, ikke? Det eneste, vi gør her, er at regne med alle spændingsfaldene i et seriekredsløb.,figur 3 viser tydeligt, hvad der sker med kollektorstrømmen (IC(MA.)), når du ikke inkluderer alle spændingsfald i formlen.

FIGUR 3.

BASE til kontrol

spørgsmålet er nu, hvordan styrer du transistoren, så den tændes og slukkes? Nå, vi er nødt til at gøre to ting: 1. Find den korrekte transistorbasestrøm (IB), der vil mætte transistoren. 2. Beregn modstandsværdien for basismodstanden RB (se figur 1)., Formlen til at finde den base, nuværende er:

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

Bemærk her, for at finde den base nuværende (IB), vi dividerer den maksimale solfanger strøm (IC(MAX)) vi ønsker at gå gennem LED ‘ en (15 mA) ved minimum Beta, der er anført på databladet (hFE). Hvad er Beta? Beta – også kendt som DC strømforøgelse — er et forhold, der vedrører hvor meget strømforøgelse du kan forvente gennem en transistors samlerterminal, da en vis mængde strøm går ind i baseterminalen. Med andre ord styrer basisstrømmen samlerstrømmen., Det er lidt som en lille vandventil, der styrer strømmen af vand, der løber gennem et stort rør.

når det er sagt alt det — og det er meget vigtigt — Beta (gain) bruges kun i forstærkerdesign. Når du bruger en transistor som en s .itch (digital tilstand), har Beta ringe effekt eller mening, fordi transistoren ikke fungerer i det aktive område, som forstærkere arbejder i. Når en transistor s .itch er i mætning tilstand, er der ingen collector nuværende gain ud over mætning.,

med andre ord, når en transistor skifte når mætningspunktet, gain formel IC = Beta x IB gælder ikke længere, fordi spændingsfaldet over collector/emitter terminaler (VCE(sad)) har nået sit laveste mætning spænding .1V. når VCE (sat) når dette spændingsniveau, kan kollektorstrømmen ikke stige ud over dette punkt — selvom basisstrømmen fortsætter med at stige.

Husk, at en transistor, der fungerer i digital tilstand (on / off), enten er i mætningstilstand (fuldt tændt) eller i cut-off-tilstand (helt slukket)., Derfor er ethvert niveau af kollektorstrøm (Ic) mellem de to tilstande af mætning og afskæring ikke vigtig for funktionen af en transistorafbryder-det er kun vigtigt for forstærkerdesignere.

Okay, så hvilken værdi bruger vi til Beta i formlen for at finde basisstrømmen (Ib)? Nå, standard tommelfingerregel, at du skal bruge den mindste Beta (hFE), der er anført på databladet. Desværre vil den mindste Beta, der er anført på databladet, kun placere transistoren ved kanten af mætning (EOS)., Da transistorer er følsomme over for temperaturændringer, kan en temperaturændring tvinge transistoren til at bevæge sig fra EOS til det “aktive” område (forstærkerregion).

derfor bruger vi det, der er kendt som en “Overdrive Factor” (ODF) for at eliminere denne mulighed. Dette er et vilkårligt tal mellem 2 og 10, der bruges til at sikre, at transistoren drives hårdt ind i mætning (fuldt tændt) — og hvor temperaturændringer ikke slipper transistoren ud af mætning. Derfor, IB lig med:

IB = IB(EOS) x ODF
↓
IB = IC(MAX) x ODF
Beta (min)
B = .,015 od ODF
100
Ib = .15 mA 10 10
IB = 1,5 mA
Bemærk, I formlen ovenfor, ved at anvende en ODF på 10, forøger vi basisstrømmen fra 150 µA til 1,5 mA, hvorved det sikres, at transistoren tvinges ind i dyb mætning. For eksempel, hvis et datablad opført en Beta(min) af 75, og du har brug for en samler strøm (IC(MA.)) af 25 mA, IB ville være.333 mA (.000333A). Desværre ville 333 µA kun sætte transistoren på EOS. Ved at bruge en ODF på 10 øger vi basisstrømmen (Ib) til 3, 3 mA — langt ud over EOS og til dyb mætning.,

nu hvor vi har etableret en basisstrøm (Ib) på 1, 5 mA er påkrævet for at mætte vores transistor, lad os beregne den modstandsværdi, der er nødvendig for basismodstanden RB. Endnu en gang bruger vi Ohms lov til at beregne for RB:

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

Bemærk i ovenstående formel, at VBE(sad) er den nødvendige base spænding der skal være til stede for at frem-bias transistorens base/emitter-krydset (dvs, at vende transistor på). Generelt er denne værdi mellem .6 til .7 volt til en generel transistor., Kontroller altid VBE (sat), der er anført på databladet for at bekræfte.figur 4 viser det færdige LED-kredsløb med alle komponenter og elektriske parametre tydeligt markeret (Ohms lov blev også brugt til at beregne modstanden for R(LED) og R(CE)).

FIGUR 4.

Vi har nu de korrekte modstandsværdier for at betjene LED-og transistorkredsløbet på en sikker måde: Rc = 200 ohm; og RB = 2933, 33 ohm.

Jeg er sikker på du har bemærket, at vores 2.,933K modstand er ikke en standardstørrelse, du faktisk kan købe overalt. Tommelfingerreglen angiver i dette tilfælde, at du kan bruge den næste standardmodstandsværdi under 2.933 k (2.7 K til 2.87 K). Hvorfor?

den lavere modstand hjælper kun med at mindske risikoen for, at transistoren falder ud af mætningstilstand under temperatur-og strømforsyningsvariationer ved at øge basisstrømmen (dvs.transistoren går endnu dybere ind i mætning).

OVERSIGT

Lad os gennemgå alle de trin, der kræves for at bruge en transistor som en switch:

1. Hent databladene for LED og transistor.,
2. Bestem den maksimale strøm (IC (ma.)), du vil gå gennem LED ‘en og transistoren, og kontroller, at den ikke overskrider den maksimale strømstyrke for LED’ en (IF) eller transistoren (IC); se databladet.
3. Beregn værdien for modstand Rc. Sørg for at medtage spændingsfaldene for LED (V(LED)) og transistoren (VCE (sat)) i Ohms Lovformel.
4. Beregn transistorens basisstrøm Ib ved hjælp af en ODF på 10.
5. Beregn modstandsværdien for basismodstand RB.

det er det. Lidt let-godt, måske ikke.,

VIGTIGE PUNKTER

1. kredsløbet designer (du) bestemmer, hvad den korrekte transistor solfanger strøm (IC(sad)) bør være ved at kigge på den LED/transistor datablade og kontrollere, at den aktuelle går gennem transistoren/LED-kredsløb er under den maksimale ratings for begge enheder. Med andre ord bestemmes mætningsstrømmen (IC (sat)), der strømmer gennem en transistorafbryder, ikke af transistorens interne elektriske parametre, men snarere af de eksterne komponenter (modstand/LED), der anvendes af kredsløbsdesigneren.,
2. Beta (DC gain) som anført i databladet har ingen betydning, når en transistor bruges som en s .itch (mætning/cut-off). Kun forstærkerdesignere bryr sig om de forskellige niveauer af samlerstrøm (forstærkning) mellem mætning og afskæring. Med andre ord er ethvert niveau af kollektorstrøm mellem de to driftstilstande af “mætning” og “afskæring” (dvs.aktiv region) ikke vigtigt for funktionen af et transistorafbryder kredsløb.
3. ” mætning ” i et transistorkontaktkredsløb opnås, når spændingen over kollektoren/ emitteren (VCE(sat)) er mindre end eller lig med .,1 til .3 volt-afhængigt af typen af transistor. På det spændingspunkt ser transistoren ud til at fungere som en simpel SPST-mekanisk s .itch, der er lukket (tændt).

endelig NOTE

på en personlig note, når jeg breadboard a kredsløb bruger jeg kun gennemgående hul, rød, 5 mm diameter, ultra-lyse, vandklare kuppel 640 nm lysdioder. Jeg har prøvet andre lysdioder, men de vandklare kuppel-lysdioder er de bedste. De er så lyse, de gør ondt i dine øjne-det siger du ikke!

bestil en taske med lysdioder fra Digi-Key, Jameco eller Mouser til dit næste projekt — det gør livet lettere., NV

Fakta om Transistoren Skifte

1. Ethvert niveau af solfanger strøm (Ic) i mellem de to stater af mætning og cut-off er ikke vigtigt, at udformningen eller driften af en transistor, skifte — det er kun vigtigt at forstærkeren designere.,
2. når du bruger en transistor som en s .itch (digital tilstand), har DC Beta (HFE) ingen betydning, fordi transistoren ikke fungerer i det aktive område, som forstærkere arbejder i. En transistorkontakt er enten i mætningstilstand (helt tændt) eller cut-off-tilstand (helt slukket). Med andre ord er forstærkningsformlen Ic = Beta.Ib ugyldig ud over mætningspunktet.
3. mætningsstrømmen (IC (sat)), der strømmer gennem en transistorafbryder, bestemmes ikke af transistorens interne elektriske parametre, men snarere af de eksterne komponenter (modstand/LED), der anvendes af kredsløbsdesigneren.,
4. for at tvinge en transistorkontakt til dyb mætning tilføjer kredsløbsdesigneren en overdrive-faktor til basisstrømmen.