comment utiliser un Transistor comme interrupteur

parfois, comprendre le fonctionnement du plus simple des circuits électroniques peut être intimidant et/ou déroutant pour l’étudiant, l’amateur ou le novice. Si je me souviens bien (au 17ème siècle), la moitié des gens de ma classe d’électronique ont abandonné après le premier semestre. Jetez un cours sur le calcul et vous assisterez à une bousculade qui fait rage pour la porte de sortie. Qui blâmons — nous pour ce taux d’abandon Abyssal-étudiants, enseignants ou programmes d’études?, On a demandé à Andrew Carnegie: « Qu’est-ce qui est le plus important: le travail, le capital ou le cerveau? »Sa réponse était: » Quelle est la jambe la plus importante sur un tabouret à trois pattes? »

malheureusement, la réponse à la question du blâme dépasse le cadre de cet article. Ce qui devrait être important, c’est de présenter le sujet de l’électronique de manière à ce qu’il soit facile pour quiconque d’apprendre. Dans cet esprit, jetons un coup d’œil à l’un de ces circuits simples et omniprésents: le commutateur à transistor. Ne vous inquiétez pas, il n’y a rien de plus difficile ici que la multiplication, la division, l’addition et la soustraction., Donc, nous allons commencer!

un TRANSISTOR en tant qu’interrupteur

regardez la Figure 1. Il montre un transistor/circuit LED à usage général typique (NPN). Si vous branchez +5 volts à Vcc dans ce circuit et impulser la borne d’entrée (Vin) avec +5V, 0V, +5V, etc. la LED clignotera en conséquence. Bien sûr, pour que ce circuit fonctionne correctement, vous devez calculer les valeurs de résistance correctes pour RC et RB. Comment faites-vous cela? Eh bien, continuez à lire.

FIGURE 1.,

avant de commencer, il convient de noter que nous utiliserons le transistor comme un simple interrupteur et non comme un amplificateur. Rappelez-vous, les transistors peuvent fonctionner comme un amplificateur ou un commutateur. Si vous utilisez un transistor pour amplifier un signal, on dit que le transistor fonctionne dans la région « active” ou « linéaire”.

sans aller trop loin dans la théorie des transistors, la région active implique une gamme de points de fonctionnement (Google « transistor characteristic curves”) auxquels le transistor amplifiera un signal sans distorsion.,

d’autre part, lorsque le transistor est utilisé comme interrupteur, il fonctionne dans ce qu’on appelle le mode « numérique” (on/off). Dans cet état de fonctionnement, le transistor ne « amplifie” en aucune façon la tension d’entrée (VIN). Pour utiliser un transistor comme interrupteur, tout ce que vous avez à faire est d’augmenter le courant à la borne de base à un certain niveau, et le transistor entrera dans un État communément appelé « saturation., »Il s’agit d’un État (mode de fonctionnement) où, quelle que soit la quantité de courant supplémentaire pompée dans la borne de base du transistor, le courant du collecteur n’augmentera plus.

Une fois qu’un transistor est en mode saturation, il agit comme un interrupteur mécanique SPST fermé (voir Figure 2). À son tour, lorsque le transistor est éteint (pas de courant de base), il passe en mode « coupure” (complètement éteint). En termes simples, le transistor est activé ou désactivé — l’amplification est immatérielle.

FIGURE 2.,

D’accord, maintenant que vous connaissez la différence entre un amplificateur à transistor et un interrupteur, utilisons le transistor comme interrupteur pour allumer et éteindre une LED.

vérifiez la fiche technique

La première étape consiste à rechercher sur Google les fiches techniques de la LED et du transistor. Vous remarquerez sur la fiche technique de LED une liste pour le courant direct maximum (si). La plupart des LED populaires à trou traversant de 5 mm de diamètre ont un courant nominal maximal autour de 20 mA.

Une fois que l’estimation maximum de LED est établie, que faisons – nous avec cette information?, Eh bien, cela signifie que nous devons réduire la note maximale de 20 mA à un niveau de courant sûr afin que la LED ne soit pas détruite. Un bon point de départ se situe entre 5 et 15 mA — en fonction de la luminosité d’une LED dont vous avez besoin. Convenons ici de régler le courant maximum(IC (MAX)) traversant notre LED à 15 mA. Maintenant, allez-y et utilisez la loi D’Ohm pour calculer la valeur de la résistance du collecteur (Rc). La formule est listée ci-dessous; supposons que nous avons +5V comme alimentation (Vcc) et (IC(MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC(MAX) .015

avez-vous calculé une valeur de 333,33 ohms pour RC? Vous avez raison!, Bon, arrêtez-vous là — nous avons un problème! La formule ci-dessus manque quelques paramètres électriques très importants. Ce qui manque, c’est le fait que la LED et le transistor — lorsqu’ils sont allumés — ont une chute de tension aux bornes et cela doit être pris en compte dans la formule.

un transistor à usage général tombera .1 à .3 volts sur les bornes collecteur/émetteur(VCE (sat); voir Fiche technique) en mode saturation (Entièrement Activé)., Une fois qu’un transistor sature, le courant de collecteur atteint un niveau ou un plateau où toute augmentation supplémentaire du courant de base n’entraînera pas une augmentation supplémentaire du courant de collecteur. En « théorie », à ce stade, la chute de tension du collecteur/émetteur (VCE(sat)) devrait être nulle si le transistor fonctionnait comme un commutateur mécanique SPST.

rappelez-vous, un commutateur mécanique n’a pas de chute de tension lorsqu’il est basculé à l’état on car il n’y a pas de résistance entre les contacts., D’autre part, les transistors ont une petite quantité de résistance aux bornes collecteur/émetteur (RCE) lorsqu’ils sont allumés, et donc une chute de tension.

en plus de la chute de tension du transistor, la LED chute également entre 1,2 et 3 volts lorsqu’elle est allumée (consultez la fiche technique sous VF). Par conséquent, afin de calculer la valeur correcte pour la Résistance Rc, la chute de tension à travers le collecteur/émetteur (VCE(sat)) et la chute de tension à travers la LED (V(LED)) doivent être incluses dans la formule., Voici donc la formule de la même loi D’Ohm modifiée pour tenir compte de toutes les chutes de tension:

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)

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

le calcul montre que nous avons besoin d’une résistance de 200 Ohms pour Rc afin de limiter le courant à travers la LED à un 15 mA sûr. Remarquez, si nous avions utilisé la formule de base de la loi D’Ohm (Rc = Vcc / IC (MAX)), RC serait de 333,33 ohms. Le vrai problème avec l’utilisation d’un 333.,La résistance de 33 ohms pour RC commence lorsque vous réalisez un prototypage du circuit, seulement pour savoir que le courant que vous attendiez à travers la LED n’est pas le 15 mA requis, mais 9,2 mA (une perte de 39%). Par conséquent, si vous ne parvenez pas à ajouter à la fois la LED et les chutes de tension du transistor dans le calcul, votre LED ne sera pas aussi brillante que prévu.

essayez de regarder la LED et le transistor comme de petites Résistances. Dans un circuit en série, vous ajouteriez toutes les valeurs de résistance ensemble pour obtenir la résistance totale, Non? Eh bien, tout ce que nous faisons ici est de comptabiliser toutes les chutes de tension dans un circuit en série.,

la Figure 3 montre clairement ce qui arrive au courant du collecteur (IC(MAX)) lorsque vous n’incluez pas toutes les chutes de tension dans la formule.

FIGURE 3.

BASE pour contrôler

la question est maintenant de savoir comment contrôler le transistor pour qu’il s’allume et s’éteint? Eh bien, nous devons faire deux choses: 1. Trouvez le courant de base du transistor (IB) correct qui saturera le transistor. 2. Calculez la valeur de résistance pour la résistance de base RB (voir Figure 1)., La formule pour trouver le courant de base est:

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

notez ici, afin de trouver le courant de base (IB), nous divisons le courant de collecteur maximum (IC(MAX)) nous voulons passer par la LED (15 mA) par le bêta minimum indiqué sur la fiche technique (hFE). Qu’est-ce que la Bêta? Beta-également connu sous le nom de gain DE COURANT CONTINU — est un rapport relatif à la quantité de gain de courant que vous pouvez attendre à travers le terminal collecteur d’un transistor étant donné une certaine quantité de courant entrant dans le terminal de base. En d’autres termes, le courant de base, contrôle le courant collecteur., C’est un peu comme une petite vanne d’eau contrôlant le débit d’eau traversant un grand tuyau.

cela dit — et c’est très important — Beta (gain) n’est utilisé que dans la conception d’amplificateurs. Lorsque vous utilisez un transistor comme commutateur (mode numérique), Beta a peu d’effet ou de signification car le transistor ne fonctionne pas dans la région active dans laquelle les amplificateurs fonctionnent. Une fois qu’un commutateur de transistor est en mode saturation, il n’y a pas de gain de courant de collecteur au-delà de la saturation.,

en d’autres termes, une fois qu’un commutateur de transistor atteint le point de saturation, la formule de gain IC = Beta X IB ne s’applique plus car la chute de tension aux bornes du collecteur/émetteur (VCE(sat)) a atteint sa tension de saturation la plus basse de .1V. lorsque VCE (sat) atteint ce niveau de tension, le courant du collecteur ne peut pas augmenter au — delà de ce point-même si le courant de base continue d’augmenter.

rappelez-vous qu’un transistor fonctionnant en mode numérique (marche/arrêt) est soit en mode saturation (entièrement allumé), soit en mode coupure (complètement éteint)., Par conséquent, tout niveau de courant de collecteur (Ic) entre les deux états de saturation et de coupure n’est pas important pour le fonctionnement d’un commutateur à transistor-il est seulement important pour les concepteurs d’amplificateurs.

ok, alors quelle valeur utilisons-nous pour Beta dans la formule pour trouver le courant de base (IB)? Eh bien, la règle empirique standard stipule que vous devez utiliser la version bêta minimale (HFE) répertoriée sur la fiche technique. Malheureusement, la bêta minimale indiquée sur la fiche technique ne placera le transistor qu’au bord de la Saturation (EOS)., Étant donné que les transistors sont sensibles aux changements de température, un changement de température pourrait forcer le transistor à passer de L’EOS à la zone « active” (région de l’amplificateur).

Par conséquent, afin d’éliminer cette possibilité, nous utilisons ce que l’on appelle un « facteur D’Overdrive” (ODF). Il s’agit d’un nombre arbitraire entre 2 et 10 qui est utilisé pour s’assurer que le transistor est entraîné dur en saturation (entièrement allumé) — et où les changements de température ne font pas tomber le transistor hors de saturation. Par conséquent, IB est égal à:

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
notez, dans la formule ci-dessus, en utilisant un ODF de 10, nous augmentons le courant de base de 150 µA à 1,5 mA, assurant ainsi que le transistor est forcé en saturation profonde. Par exemple, si une fiche technique répertoriait une bêta(min) de 75 et que vous aviez besoin d’un courant de collecteur (IC(MAX)) de 25 mA, IB serait .333 mA (.000333A). Malheureusement, 333 µA ne mettrait le transistor qu’à L’EOS. En utilisant un ODF de 10, nous augmentons le courant de base (IB) à 3,3 mA — bien au-delà de L’EOS et en saturation profonde.,

maintenant que nous avons établi qu’un courant de base (IB) de 1,5 mA est nécessaire pour saturer notre transistor, calculons la valeur de résistance nécessaire à la résistance de base RB. Encore une fois, nous utilisons la loi D’Ohm pour calculer pour RB:

RB = VIN – VBE(sat)
IB
RB = 5 – .6
.0015
RB = 2933,33 ohms

notez dans la formule ci-dessus que VBE(sat) est la tension de base requise qui doit être présente pour polariser vers l’avant la jonction base / émetteur du transistor (c’est-à-dire pour allumer le transistor). D’une manière générale, cette valeur est comprise entre .6 à .7 volts pour un transistor à usage général., Vérifiez toujours VBE (sat) répertorié sur la feuille de données pour vérifier.

la Figure 4 montre le circuit LED fini avec tous les composants et paramètres électriques clairement marqués(la loi D’Ohm a également été utilisée pour calculer la résistance pour R(LED) et R (Ce)).

FIGURE 4.

Nous avons maintenant les valeurs de résistance correctes afin de faire fonctionner le circuit LED et transistor de manière sûre: Rc = 200 ohms; et RB = 2933.33 ohms.

je suis sûr que vous avez remarqué que notre 2.,La résistance 933K n’est pas une taille standard que vous pouvez réellement acheter n’importe où. La règle empirique dans ce cas stipule que vous pouvez utiliser la valeur de résistance standard suivante inférieure à 2,933 K (2,7 K à 2,87 K). Pourquoi?

La résistance inférieure aide seulement à diminuer le risque que le transistor ne tombe en mode saturation pendant les variations de température et d’alimentation en augmentant le courant de base (c’est-à-dire que le transistor va encore plus loin dans la saturation).

récapitulons

passons en revue toutes les étapes requises pour utiliser un transistor comme interrupteur:

1. Téléchargez les fiches techniques de la LED et du transistor.,
2. Déterminez le courant maximal (IC (MAX)) que vous souhaitez traverser la LED et le transistor, et vérifiez qu’il ne dépasse pas le courant maximal nominal de la LED (IF) ou du transistor (Ic); reportez-vous à la fiche technique.
3. Calculez la valeur de la Résistance Rc. Assurez-vous d’inclure les chutes de tension pour la LED (V(LED)) et le transistor (VCE(sat)) dans la formule de la loi D’Ohm.
4. calculez le courant de base IB du transistor en utilisant un ODF de 10.
5. Calculez la valeur de résistance pour la résistance de base RB.

c’est tout. Un peu facile-enfin, peut-être pas.,

points importants

1. le concepteur de circuit (vous) détermine quel devrait être le courant correct du collecteur de transistors (IC(sat)) en regardant les fiches techniques LED/transistor et en vérifiant que le courant traversant le circuit transistor / LED est inférieur aux valeurs maximales pour les deux appareils. En d’autres termes, le courant de saturation (IC(sat)) traversant un commutateur à transistor n’est pas déterminé par les paramètres électriques internes du transistor, mais plutôt par les composants externes (Résistance/LED) employés par le concepteur de circuits.,
2. Beta (DC gain) comme indiqué dans la fiche technique n’a aucune signification lorsqu’un transistor est utilisé comme interrupteur (saturation / coupure). Seuls les concepteurs d’amplificateurs se soucient des différents niveaux de courant de collecteur (gain) entre la saturation et la coupure. En d’autres termes, tout niveau de courant de collecteur entre les deux états de fonctionnement de « saturation » et de « coupure » (c’est-à-dire de région active) n’est pas important pour le fonctionnement d’un circuit de commutation à transistors.
3. La « Saturation » dans un circuit de commutation à transistor est atteinte lorsque la tension aux bornes du collecteur/ émetteur (VCE(sat)) est inférieure ou égale à .,1 à .3 volts – selon le type de transistor. À ce point de tension, le transistor semble agir comme un simple commutateur mécanique SPST qui a été fermé (activé).

note finale

sur une note personnelle, lorsque je planche à pain un circuit, Je n’utilise que des LED à trou traversant, rouges, de 5 mm de diamètre, ultra-lumineuses et transparentes à l’eau 640 nm. J’ai essayé d’autres Led, mais les LED dome transparentes sont les meilleures. Ils sont si brillants, ils vous font mal aux yeux-sans blague!

commandez un sac de LED chez Digi-Key, Jameco ou Mouser pour votre prochain projet — cela vous facilite la vie., NV

faits sur le commutateur de Transistor

1. tout niveau de courant de collecteur (Ic) entre les deux états de saturation et de coupure n’est pas important pour la conception ou le fonctionnement d’un commutateur de transistor-il est seulement important pour les concepteurs d’amplificateurs.,
2. lors de l’utilisation d’un transistor comme commutateur (mode numérique), DC Beta (HFE) n’a aucune signification car le transistor ne fonctionne pas dans la région active dans laquelle les amplificateurs fonctionnent. Un commutateur à transistor est en mode saturation (Entièrement Activé) ou en mode coupure (complètement désactivé). En d’autres termes, la formule de gain Ic = Beta X Ib n’est pas valide au-delà du point de saturation.
3. Le courant de saturation (Ic(sat)) traversant un commutateur à transistor n’est pas déterminé par les paramètres électriques internes du transistor, mais plutôt par les composants externes (Résistance/LED) employés par le concepteur de circuits.,
4. pour forcer un commutateur à transistor à saturation profonde, le concepteur de circuits ajoute un facteur d’overdrive au courant de base.