hogyan kell használni a tranzisztor, mint egy kapcsoló

néha megérteni, hogy a legegyszerűbb elektronikus áramkörök munka lehet megfélemlítő és / vagy zavaró a hallgató, hobbista, vagy kezdő. Ha jól emlékszem (a 17. században), az elektronikai osztályomban élő emberek fele az első félév után esett ki. Vágj bele egy tanfolyamot a kalkulusba, és szemtanúja leszel egy dühöngő rohamnak a kijáratnál. Kit hibáztatunk ezért az abysmal lemorzsolódási arányért-diákok, tanárok vagy tanterv?, Andrew Carnegie-t egyszer megkérdezték: “mi a fontosabb: munka, tőke vagy agy? “Azt válaszolta:” mi a legfontosabb láb egy háromlábú széken?”

sajnos a hibás kérdésre adott válasz túlmutat e cikk hatályán. Ami fontos, az az elektronika tárgyának bemutatása oly módon, hogy bárki könnyen megtanulhassa. Ezt szem előtt tartva, vessünk egy pillantást az egyik ilyen egyszerű és mindenütt jelenlévő áramkörök: a tranzisztor kapcsoló. Ne aggódj, itt nincs nagyobb kihívás, mint a szorzás, osztás, összeadás és kivonás., Tehát kezdjük!

tranzisztor mint kapcsoló

nézd meg az 1. ábrát. Ez egy tipikus általános célú (NPN) tranzisztor/LED áramkört mutat. Ha ebben az áramkörben +5 Voltot csatlakoztat a Vcc-hez, akkor a bemeneti kapcsot (Vin) +5V, 0V, +5V stb., a LED ennek megfelelően villog. Természetesen annak érdekében, hogy ez az áramkör megfelelően működjön, ki kell számítania az RC és az RB megfelelő ellenállási értékeit. Hogy csinálod? Olvass tovább.

1.ábra.,

mielőtt elkezdenénk, meg kell jegyezni, hogy a tranzisztort egyszerű kapcsolóként fogjuk használni, nem erősítőként. Ne feledje, hogy a tranzisztorok erősítőként vagy kapcsolóként is működhetnek. Ha tranzisztort használ egy jel erősítésére, a tranzisztor állítólag az “aktív” vagy “lineáris” régióban működik.

anélkül, hogy túl mélyen belemennénk a tranzisztor elméletébe, az aktív régió számos működési pontot (Google “tranzisztor jellegzetes görbék”) von maga után, amelyeken a tranzisztor torzítás nélkül felerősíti a jelet.,

másrészt, amikor a tranzisztort kapcsolóként használják, az úgynevezett “digitális” módban működik (be/ki). Ebben a működési állapotban a tranzisztor semmilyen módon nem erősíti meg a bemeneti feszültséget (VIN). Ahhoz, hogy egy tranzisztort kapcsolóként használjunk, csak annyit kell tennünk, hogy az alapkapcson lévő áramot egy bizonyos szintre növeljük, a tranzisztor pedig egy “telítettség” néven ismert állapotba kerül.,”Ez egy olyan állapot (működési mód), ahol függetlenül attól, hogy mennyi további áramot pumpálnak a tranzisztor alapkapcsába, a kollektoráram nem növekszik tovább.

miután a tranzisztor telítettségi módban van, úgy működik, mint egy zárt SPST mechanikus kapcsoló (lásd a 2.ábrát). Viszont, amikor a tranzisztor ki van kapcsolva (nincs alapáram), “cut-off” üzemmódba kerül (teljesen ki van kapcsolva). Egyszerűen fogalmazva, a tranzisztor be-vagy kikapcsolt-az erősítés lényegtelen.

2.ábra.,

Oké, most, hogy tudod a különbséget egy tranzisztor erősítő és egy kapcsoló között, használjuk a tranzisztort kapcsolóként egy LED be-és kikapcsolásához.

ellenőrizze az adatlapot

az első lépés a Google az adatlapok mind a LED, mind a tranzisztor számára. A LED adatlapon megjelenik egy lista a maximális előremenő áramról (ha). A legnépszerűbb 5 mm átmérőjű átmenő lyukú LED-ek maximális áramértékkel rendelkeznek valahol 20 mA körül.

a maximális LED-minősítés megállapítása után Mit tegyünk ezzel az információval?, Nos, ez azt jelenti, hogy csökkentenünk kell a 20 mA Maximális besorolását egy biztonságos áramszintre, hogy a LED ne pusztuljon el. Egy jó kiindulási pont valahol 5-15 mA között van-attól függően, hogy milyen fényes LED-re van szüksége. Fogadjunk el itt, hogy állítsa be a maximális áram (IC(MAX)) átfolyó mi vezetett 15 mA. Most pedig használja az Ohm törvényét a kollektor ellenállás (Rc) értékének kiszámításához. A képlet az alábbiakban felsorolt; tegyük fel, hogy van +5V, mint a tápegység (Vcc) és (IC(MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC (MAX).015

kiszámította az RC 333,33 Ohm értékét? Igazad van!, Oké, állj meg ott — van egy kis problémánk! A fenti képletből hiányzik néhány nagyon fontos elektromos paraméter. Hiányzik az a tény, hogy mind a LED, mind a tranzisztor — bekapcsoláskor — feszültségcsökkenést mutat a terminálokon, ezt a képletben kell figyelembe venni.

egy általános célú tranzisztor kb.1 hogy .3 volt a kollektor/emitter terminálok között (VCE(sat); lásd az adatlapot), ha telítettség módban van (teljesen be van kapcsolva)., Miután a tranzisztor telítődik, a kollektoráram eléri a szintet vagy a fennsíkot, ahol az alapáram további növekedése nem okozza a kollektoráram további növekedését. Az “elméletben” ezen a ponton a kollektor/emitter feszültségcsökkenésének (VCE(sat)) nullának kell lennie, ha a tranzisztor SPST mechanikus kapcsolóként működött.

ne feledje, hogy a mechanikus kapcsolónak nincs feszültségesése, amikor bekapcsolt állapotba kerül, mert nincs ellenállás az érintkezők között., Másrészt a tranzisztorok bekapcsoláskor kis mennyiségű ellenállást mutatnak a kollektor/emitter csatlakozókon (RCE), ezért feszültségcsökkenés.

a tranzisztor feszültségcsökkenése mellett a LED is valahol 1,2-3 volt között esik, amikor be van kapcsolva (ellenőrizze az adatlapot a VF alatt). Ezért az RC ellenállás helyes értékének kiszámításához a képletben fel kell tüntetni a kollektor/emitter (VCE(sat)) feszültségesését és a LED (V(LED)) közötti feszültségesést., Tehát itt van ugyanaz az Ohm Törvényképlete, amelyet úgy módosítottak, hogy figyelembe vegye az összes feszültségcsökkenést:

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

A számítás azt mutatja, hogy szükségünk van egy 200 ohm ellenállás az Rc annak érdekében, hogy korlátozza a jelenlegi keresztül VEZETETT, hogy egy biztonságos, 15 mA. Figyelem, ha az alap Ohm Törvényképletét (Rc = Vcc / IC(MAX)) használtuk volna, az RC 333,33 Ohm lenne. Az igazi probléma a 333 használatával.,33 ohm ellenállás RC kezdődik, amikor ténylegesen breadboard az áramkör, csak hogy megtudja, az áram várható a LED nem a szükséges 15 mA, de 9.2 mA (a 39% veszteség). Ezért, ha nem adja hozzá mind a LED, mind a tranzisztor feszültségcsökkenését a számításhoz, akkor a LED nem lesz olyan fényes, mint várták.

próbálja meg kis ellenállásként nézni a LED-et és a tranzisztort. Egy soros áramkörben összeadná az összes ellenállás értékét, hogy megkapja a teljes ellenállást, igaz? Nos, csak annyit csinálunk itt, hogy elszámoljuk a feszültségcsökkenést egy sorozat áramkörben.,

a 3. ábra világosan megmutatja, mi történik a kollektorárammal (IC(MAX)), ha nem tartalmazza az összes feszültségesést a képletben.

3.ábra.

BASE to CONTROL

a kérdés most az, hogyan lehet irányítani a tranzisztort, így bekapcsol és kikapcsol? Két dolgot kell tennünk: 1. Keresse meg a megfelelő tranzisztor alapáramot (IB), amely telíti a tranzisztort. 2. Számítsa ki az RB alapellenállás ellenállási értékét (lásd az 1. ábrát)., A képlet az, hogy megtaláljuk a bázis áram:

IB(EOS) = IC(MAX)
Béta (min)

Értesítés, annak érdekében, hogy megtalálják az alap aktuális (IB), elosztjuk a maximális kollektor áram (IC(MAX)) azt akarjuk, hogy menjen át a LED (15 mA) a minimális Béta szerepel az adatlapon (hFE). Mi a béta? Beta-más néven DC áram nyereség-egy Arány, hogy mennyi áram nyereség akkor számíthat keresztül tranzisztor kollektor terminál adott egy bizonyos mennyiségű áram megy az alap terminál. Más szavakkal, az alapáram szabályozza a kollektor áramát., Ez olyan, mint egy kis vízszelep, amely szabályozza a nagy csövön átfolyó víz áramlását.

mindezek után-és ez nagyon fontos-a béta (erősítés) csak az erősítő kialakításában használatos. Ha tranzisztort használ kapcsolóként (digitális mód), a Bétának kevés hatása vagy jelentése van, mert a tranzisztor nem működik abban az aktív régióban, amelyben az erősítők működnek. Ha egy tranzisztor kapcsoló telítettség módban van, akkor a telítettségen túl nincs kollektoráram-nyereség.,

más szóval, ha egy tranzisztoros kapcsoló eléri a telítettségi pontot, az IC = Beta x IB nyereségképlet már nem érvényes, mert a kollektor/emitter terminálok (VCE(sat)) feszültségcsökkenése elérte a legalacsonyabb telítettségi feszültségét .1V. amikor a VCE (sat) eléri ezt a feszültségszintet, a kollektor áram nem emelkedhet ezen a ponton túl — még akkor sem, ha az alapáram tovább növekszik.

ne feledje, hogy a digitális üzemmódban (be/ki) működő tranzisztor telítettségi módban (teljesen bekapcsolva) vagy kikapcsolt üzemmódban (teljesen kikapcsolva) van., Ezért bármilyen szintű kollektor áram (Ic) a két állapot között a telítettség és a cut-off nem fontos, hogy a működését egy tranzisztor kapcsoló — ez csak akkor fontos, erősítő tervezők.

Oké, tehát milyen értéket használunk a bétaverzióhoz a képletben az alapáram (IB) megtalálásához? Nos, a szokásos hüvelykujjszabály szerint az adatlapon felsorolt minimális béta (hFE) kell használni. Sajnos az adatlapon felsorolt minimális béta csak a telítettség (EOS) szélén helyezi el a tranzisztort., Mivel a tranzisztorok érzékenyek a hőmérsékletváltozásokra, a hőmérsékletváltozás arra kényszerítheti a tranzisztort, hogy az EOS-ról az “aktív” területre (erősítő régió) mozogjon.

ezért ennek a lehetőségnek a kiküszöbölése érdekében az úgynevezett “Overdrive Factor” (ODF) – t használjuk. Ez egy tetszőleges szám 2 és 10 között, amelyet arra használnak, hogy a tranzisztor erősen telítődjön (teljesen bekapcsolva) — és ahol a hőmérsékletváltozás nem csökkenti a tranzisztort a telítettségből. Ezért az IB egyenlő:

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
Megjegyzés A fenti képletben 10 ODF használatával növeljük az alapáramot 150 µA-ról 1,5 mA-ra, ezáltal biztosítva, hogy a tranzisztor mély telítettségre kényszerül. Ha például egy adatlap 75-ös bétát(min) tartalmaz, és 25 mA kollektoráramra (IC(MAX) van szüksége, akkor az IB lenne .333 mA (.000333A). Sajnos a 333 µA csak a tranzisztort helyezi az EOS-ba. Egy 10-es ODF használatával az alapáramot (IB) 3,3 mA — ra növeljük-jóval az EOS-n túl, mély telítettségig.,

most, hogy létrehoztunk egy 1,5 mA alapáramot (IB) a tranzisztor telítettségéhez, számítsuk ki az RB alapellenálláshoz szükséges ellenállási értéket. Ismét az Ohm törvényét használjuk az RB kiszámításához:

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

vegye figyelembe a fenti képletben, hogy a VBE(sat) a szükséges alapfeszültség, amelynek jelen kell lennie a tranzisztor alap/emitter csomópontjának előre-torzításához (azaz a tranzisztor bekapcsolásához). Általánosságban elmondható, hogy ez az érték között van .6 hogy .7 volt egy általános célú tranzisztorhoz., Mindig ellenőrizze VBE(sat) szerepel az adatlapon, hogy ellenőrizze.

A 4. ábra a kész LED-es áramkört mutatja az összes alkatrész és az elektromos paraméter egyértelmű megjelölésével (az Ohm-törvényt az R(LED) és R(CE) ellenállásának kiszámításához is használták).

4.ábra.

a LED-es és Tranzisztoros áramkör biztonságos működtetéséhez most a megfelelő ellenállási értékeket kapjuk: Rc = 200 Ohm; és RB = 2933.33 Ohm.

biztos vagyok benne, hogy észrevetted, hogy a 2.,A 933k ellenállás nem egy szabványos méret, amelyet bárhol megvásárolhat. A hüvelykujjszabály ebben az esetben azt állítja, hogy a következő szabványos ellenállás értékét 2,933 K (2,7 K-2,87 K) alatt használhatja. Miért?

az alacsonyabb ellenállás csak az alapáram növelésével csökkenti annak esélyét, hogy a tranzisztor a szaturációs üzemmódból kiessen a hőmérséklet és a tápellátás változása során (azaz a tranzisztor még mélyebbre megy a telítettségbe).

RECAP

nézzük át a tranzisztor kapcsolóként való használatához szükséges összes lépést:

1. töltse le a LED és a tranzisztor adatlapjait.,
2. határozza meg a LED-en és a tranzisztoron áthaladni kívánt maximális áramerősséget (IC(MAX)), és ellenőrizze, hogy nem haladja meg a LED (IF) vagy a tranzisztor (Ic) maximális áramértékét; lásd az adatlapot.
3. Számítsa ki az RC ellenállás értékét. Ügyeljen arra, hogy a LED (V(LED)) és a tranzisztor (VCE(sat) feszültségeséseit az Ohm Törvényképletébe foglalja.
4. kiszámítja a tranzisztor alapáramát IB egy ODF 10.
5. Számítsa ki az RB alapellenállás ellenállási értékét.

ennyi. Elég könnyű-nos, talán nem.,

FONTOS PONTOT

1. Az áramkör tervező (ön) határozza meg, hogy mi a helyes tranzisztor kollektor áram (IC(szombat)) kell a LED/tranzisztor adatlapok, valamint annak ellenőrzése, hogy a jelenlegi megy keresztül a tranzisztor/LED kör alatt a maximális nézettség, mind eszközök. Más szavakkal, a tranzisztorkapcsolón átáramló telítettségi áramot (IC(sat) nem a tranzisztor belső elektromos paraméterei határozzák meg, hanem az áramkörtervező által alkalmazott külső alkatrészek (ellenállás/LED).,
2. Beta (DC gain) az adatlapon felsorolt nincs értelme, ha egy tranzisztor használják, mint egy kapcsoló (telítettség/cut-off). Csak erősítő tervezők törődnek a különböző szintű kollektor áram (nyereség) között telítettség és cut-off. Más szóval, a “telítettség” és a “cut-off” (azaz aktív régió) két működési állapota közötti kollektoráram nem fontos a tranzisztorkapcsoló áramkör működéséhez.
3. “telítettség” tranzisztorkapcsoló áramkörben akkor érhető el, ha a kollektor/ emitter (VCE(sat)) feszültsége kisebb vagy egyenlő .,1 hogy .3 volt – a tranzisztor típusától függően. Ezen a feszültség ponton úgy tűnik, hogy a tranzisztor úgy viselkedik, mint egy egyszerű SPST mechanikus kapcsoló, amelyet bezártak (be).

záró megjegyzés

egy személyes megjegyzés, amikor breadboard áramkör csak használni átmenő lyuk, piros, 5 mm átmérőjű, Ultra-fényes, víztiszta kupola 640 nm LED-ek. Megpróbáltam más LED-eket, de a víztiszta kupola LED-ek a legjobbak. Olyan fényesek, hogy ártanak a szemednek — nem viccelek!

rendeljen egy zsák LED-et a Digi-Key-től, a Jameco – tól vagy a Mouser — től a következő projekthez-Ez megkönnyíti az életet., NV

Tények A tranzisztor kapcsoló

1. bármely szintű kollektor áram (Ic) között a két állapot telítettség és cut-off nem fontos, hogy a tervezés vagy működése tranzisztor kapcsoló — ez csak akkor fontos, hogy erősítő tervezők.,
2. ha tranzisztort használ kapcsolóként (digitális mód), a DC Beta (hFE) nincs értelme, mert a tranzisztor nem működik abban az aktív régióban, amelyben az erősítők működnek. A tranzisztor kapcsoló telítettségi módban van (teljesen be van kapcsolva) vagy cut-off módban (teljesen ki van kapcsolva). Más szavakkal, az IC = béta x Ib nyereségképlet érvénytelen a telítettségi ponton túl.
3. a tranzisztorkapcsolón átáramló telítettségi áramot (IC(sat) nem a tranzisztor belső elektromos paraméterei határozzák meg, hanem az áramkörtervező által alkalmazott külső alkatrészek (ellenállás/LED).,
4. a tranzisztorkapcsoló mély telítettségre való kényszerítéséhez az áramkörtervező overdrive tényezőt ad az alapáramhoz.