Come utilizzare un transistor come un interruttore

A volte capire come il più semplice dei circuiti elettronici di lavoro può essere intimidatorio e/o di confusione per lo studente, hobbista, o novizio. Se non ricordo male (nel 17 ° secolo), la metà delle persone nella mia classe di elettronica abbandonato dopo il primo semestre. Gettare in un corso sul calcolo e sarete testimoni di una fuga precipitosa infuria per la porta di uscita. A chi diamo la colpa di questo abissale tasso di abbandono: studenti, insegnanti o curriculum?, Andrew Carnegie una volta è stato chiesto: “Cosa c’è di più importante: lavoro, capitale o cervello?”La sua risposta fu:” Qual è la gamba più importante su uno sgabello a tre gambe?”

Sfortunatamente, la risposta alla domanda di colpa va oltre lo scopo di questo articolo. Ciò che dovrebbe essere importante è presentare il tema dell’elettronica in modo tale da rendere facile l’apprendimento per chiunque. Con questo in mente, diamo un’occhiata a uno di quei circuiti semplici e onnipresenti: l’interruttore a transistor. Non ti preoccupare, non c’è niente di più impegnativo qui di moltiplicazione, divisione, addizione e sottrazione., Quindi, cominciamo!

UN TRANSISTOR COME INTERRUTTORE

Guarda la figura 1. Esso mostra un tipico general-purpose (NPN) transistor/circuito LED. Se si collega + 5 volt a Vcc in questo circuito e si preme il terminale di ingresso (Vin) con +5V, 0V, +5V, ecc., il LED lampeggia e si spegne di conseguenza. Naturalmente, per far funzionare correttamente questo circuito, è necessario calcolare i valori corretti dei resistori per RC e RB. Come fai? Beh, continua a leggere.

FIGURA 1.,

Prima di iniziare, va notato che useremo il transistor come un semplice interruttore e non come un amplificatore. Ricorda, i transistor possono funzionare sia come amplificatore che come interruttore. Se stai usando un transistor per amplificare un segnale, si dice che il transistor operi nella regione “attiva” o “lineare”.

Senza andare troppo in profondità nella teoria dei transistor, la regione attiva comporta una gamma di punti operativi (Google “transistor curve caratteristiche”) in cui il transistor amplificherà un segnale senza distorsione.,

D’altra parte, quando il transistor viene utilizzato come interruttore, funziona in quella che viene chiamata la modalità “digitale” (on/off). In questo stato di funzionamento, il transistor non” amplifica ” la tensione di ingresso (VIN) in alcun modo. Per utilizzare un transistor come un interruttore, tutto quello che dovete fare è aumentare la corrente al terminale di base ad un certo livello, e il transistor andrà in uno stato comunemente noto come “saturazione.,”Questo è uno stato (modalità di funzionamento) in cui non importa quanta corrente aggiuntiva viene pompata nel terminale di base del transistor, la corrente del collettore non aumenterà ulteriormente.

Una volta che un transistor è in modalità saturazione, agisce proprio come un interruttore meccanico SPST chiuso (vedi Figura 2). A sua volta, quando il transistor è spento (nessuna corrente di base), entra in modalità “cut-off” (completamente spento). In poche parole, il transistor è acceso o spento-l’amplificazione è irrilevante.

FIGURA 2.,

Ok, ora che conosci la differenza tra un amplificatore a transistor e uno switch, usiamo il transistor come interruttore per accendere e spegnere un LED.

CONTROLLARE LA SCHEDA TECNICA

Il primo passo è quello di Google le schede tecniche sia per il LED e il transistor. Noterai sulla scheda tecnica del LED un elenco per la corrente diretta massima (IF). La maggior parte dei popolari LED a foro passante con diametro di 5 mm ha una corrente nominale massima di circa 20 mA.

Una volta stabilita la valutazione massima del LED, cosa facciamo con queste informazioni?, Bene, significa che dobbiamo ridurre la valutazione massima di 20 mA a un livello di corrente sicuro in modo che il LED non venga distrutto. Un buon punto di partenza è da qualche parte tra 5 e 15 mA-a seconda di quanto luminoso di un LED è necessario. Siamo d’accordo qui per impostare la corrente massima(IC (MAX)) che scorre attraverso il nostro LED a 15 mA. Ora, vai avanti e usa la Legge di Ohm per calcolare il valore per il resistore del collettore (Rc). La formula è elencata di seguito; supponiamo di avere + 5V come alimentazione (Vcc) e(IC (MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC(MASSIMO) .015

Hai calcolato un valore di 333.33 ohm per RC? Hai ragione!, Ok, fermo lì-abbiamo un problema! La formula di cui sopra manca un paio di parametri elettrici molto importanti. Ciò che manca è il fatto che sia il LED che il transistor — quando sono accesi — hanno una caduta di tensione attraverso i loro terminali e questo deve essere considerato nella formula.

Un transistor general-purpose scenderà circa .da 1 a .3 volt attraverso i terminali collettore/emettitore (VCE (sat); vedere scheda tecnica) in modalità saturazione (completamente acceso)., Una volta che un transistor si satura, la corrente del collettore raggiunge un livello o un plateau in cui qualsiasi ulteriore aumento della corrente di base non causerà un ulteriore aumento della corrente del collettore. In “teoria”, a questo punto la caduta di tensione del collettore/emettitore (VCE(sat)) dovrebbe essere zero se il transistor funzionava come un interruttore meccanico SPST.

Ricorda, un interruttore meccanico non ha alcuna caduta di tensione quando viene capovolto allo stato on perché non c’è resistenza tra i contatti., D’altra parte, i transistor hanno una piccola quantità di resistenza attraverso i terminali collettore/emettitore (RCE) quando sono accesi, e quindi una caduta di tensione.

Oltre alla caduta di tensione del transistor, il LED scenderà anche tra 1,2 e 3 volt quando è acceso (controllare la scheda tecnica sotto VF). Pertanto, al fine di calcolare il valore corretto per la resistenza Rc, la caduta di tensione attraverso il collettore/emettitore (VCE(sat)) e la caduta di tensione attraverso il LED (V(LED)) devono essere inclusi nella formula., Quindi, ecco la stessa formula della Legge di Ohm modificata per tenere conto di tutte le cadute di tensione:

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

Il calcolo mostra che abbiamo bisogno di un resistore da 200 ohm per Rc al fine di limitare la corrente attraverso il LED ad un sicuro 15 mA. Notate, se avessimo usato la formula di base della Legge di Ohm (Rc = Vcc / IC (MAX)), RC sarebbe 333.33 ohm. Il vero problema con l’utilizzo di un 333.,33 ohm resistore per RC inizia quando in realtà breadboard il circuito, solo per scoprire la corrente che ci si aspetta attraverso il LED non è la richiesta 15 mA, ma 9.2 mA (una perdita del 39%). Pertanto, se non si riesce ad aggiungere sia il LED e transistor cadute di tensione nel calcolo, il LED non sarà luminoso come previsto.

Prova a guardare il LED e il transistor come piccoli resistori. In un circuito di serie, dovresti aggiungere tutti i valori della resistenza insieme per ottenere la resistenza totale, giusto? Beh, tutto quello che stiamo facendo qui e ‘ tenere conto di tutte le cadute di tensione in un circuito di serie.,

La figura 3 mostra chiaramente cosa succede alla corrente del collettore (IC (MAX)) quando non si includono tutte le cadute di tensione nella formula.

FIGURA 3.

BASE PER CONTROLLARE

La domanda ora è come controlli il transistor in modo che si accenda e si spenga? Bene, dobbiamo fare due cose: 1. Trova la corrente di base del transistor corretta (IB) che saturerà il transistor. 2. Calcolare il valore di resistenza per il resistore di base RB (vedere Figura 1)., La formula per trovare la corrente di base è:

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

Nota qui, per trovare la corrente di base (IB), dividiamo la corrente massima del collettore (IC(MAX)) vogliamo passare attraverso il LED (15 mA) dal Beta minimo elencato nella scheda tecnica (hFE). Che cosa è Beta? Beta-noto anche come guadagno di corrente CONTINUA — è un rapporto relativo alla quantità di guadagno di corrente che ci si può aspettare attraverso il terminale collettore di un transistor data una certa quantità di corrente che entra nel terminale di base. In altre parole, la corrente di base controlla la corrente del collettore., È un po ‘ come una piccola valvola dell’acqua che controlla il flusso dell’acqua che attraversa un grande tubo.

Detto questo — e questo è molto importante — Beta (gain) è usato solo nella progettazione di amplificatori. Quando si utilizza un transistor come interruttore (modalità digitale), Beta ha poco effetto o significato perché il transistor non funziona nella regione attiva in cui funzionano gli amplificatori. Una volta che un interruttore a transistor è in modalità saturazione, non c’è guadagno di corrente del collettore oltre la saturazione.,

In altre parole, una volta che un interruttore transistor raggiunge il punto di saturazione, la formula di guadagno IC = Beta x IB non si applica più perché la caduta di tensione attraverso i terminali collettore / emettitore (VCE(sat)) ha raggiunto la sua tensione di saturazione più bassa di .1V. Quando VCE (sat) raggiunge questo livello di tensione, la corrente del collettore non può aumentare oltre questo punto — anche se la corrente di base continua ad aumentare.

Ricorda, un transistor che funziona in modalità digitale (on / off) è in modalità saturazione (completamente acceso) o in modalità cut-off (completamente spento)., Pertanto, qualsiasi livello di corrente di collettore (Ic) tra i due stati di saturazione e cut-off non è importante per il funzionamento di un interruttore a transistor — è importante solo per i progettisti di amplificatori.

Ok, quindi quale valore usiamo per Beta nella formula per trovare la corrente di base (IB)? Bene, la regola empirica standard afferma che è necessario utilizzare la beta minima (hFE) elencata nella scheda tecnica. Sfortunatamente, la Beta minima elencata nella scheda tecnica posizionerà il transistor solo sul bordo della Saturazione (EOS)., Poiché i transistor sono sensibili alle variazioni di temperatura, un cambiamento di temperatura potrebbe costringere il transistor a spostarsi dall’EOS all’area “attiva” (regione dell’amplificatore).

Pertanto, al fine di eliminare questa possibilità, usiamo quello che è noto come un “Fattore Overdrive” (ODF). Questo è un numero arbitrario tra 2 e 10 che viene utilizzato per assicurare che il transistor è guidato duro in saturazione (completamente acceso) — e dove le variazioni di temperatura non riescono a far cadere il transistor fuori saturazione. Pertanto, IB è uguale a:

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
Si noti, nella formula di cui sopra, utilizzando un ODF di 10 aumentiamo la corrente di base da 150 µA a 1.5 mA, assicurando così che il transistor sia forzato in saturazione profonda. Ad esempio, se un foglio dati elencava una Beta(min) di 75 e avevi bisogno di una corrente di collettore (IC(MAX)) di 25 mA, IB sarebbe .333 mA (.000333A). Sfortunatamente, 333 µA metterebbe solo il transistor all’EOS. Utilizzando un ODF di 10, aumentiamo la corrente di base (IB) a 3,3 mA — ben oltre l’EOS e in saturazione profonda.,

Ora che abbiamo stabilito una corrente di base (IB) di 1,5 mA è necessaria per saturare il nostro transistor, calcoliamo il valore di resistenza necessario per il resistore di base RB. Ancora una volta, usiamo la Legge di Ohm per calcolare per RB:

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

Nota nella formula sopra, che VBE(sat) è la tensione di base richiesta che deve essere presente per inoltrare la giunzione base/emettitore del transistor (cioè per accendere il transistor). In generale, questo valore è tra .6 a .7 volt per un transistor general-purpose., Controllare sempre VBE (sat) elencato nella scheda tecnica per verificare.

La figura 4 mostra il circuito LED finito con tutti i componenti e i parametri elettrici chiaramente contrassegnati(la Legge di Ohm è stata utilizzata anche per calcolare la resistenza per R(LED) e R (CE)).

FIGURA 4.

Ora abbiamo i valori di resistenza corretti per far funzionare il circuito LED e transistor in modo sicuro: Rc = 200 ohm; e RB = 2933.33 ohm.

Sono sicuro che hai notato che il nostro 2.,933 K resistenza non è un formato standard si può effettivamente acquistare ovunque. La regola empirica in questo caso afferma che è possibile utilizzare il valore del resistore standard successivo inferiore a 2.933 K (da 2.7 K a 2.87 K). Perché?

La resistenza inferiore aiuta solo a diminuire la possibilità che il transistor cada dalla modalità di saturazione durante le variazioni di temperatura e alimentazione aumentando la corrente di base (cioè, il transistor va ancora più in profondità nella saturazione).

RECAP

Esaminiamo tutti i passaggi necessari per utilizzare un transistor come switch:

1. Scarica le schede tecniche per il LED e il transistor.,
2. Determinare la corrente massima (IC (MAX)) che si desidera passare attraverso il LED e il transistor e verificare che non superi la corrente nominale massima del LED (IF) o del transistor (Ic); fare riferimento alla scheda tecnica.
3. Calcolare il valore per resistenza Rc. Assicurati di includere le cadute di tensione per il LED (V(LED)) e il transistor (VCE(sat)) nella formula della legge di Ohm.
4. Calcolare la corrente di base del transistor IB utilizzando un ODF di 10.
5. Calcolare il valore di resistenza per resistenza di base RB.

Questo è tutto. Tipo di facile-beh, forse no.,

PUNTI IMPORTANTI

1. Il progettista del circuito (tu) determina quale deve essere la corrente del collettore transistor corretta (IC(sat)) osservando le schede tecniche LED/transistor e verificando che la corrente che attraversa il circuito transistor / LED sia inferiore ai valori massimi per entrambi i dispositivi. In altre parole, la corrente di saturazione (IC (sat)) che scorre attraverso un interruttore a transistor non è determinata dai parametri elettrici interni del transistor, ma piuttosto dai componenti esterni (resistore/LED) impiegati dal progettista di circuiti.,
2. Beta (guadagno DC) come elencato nella scheda tecnica non ha alcun significato quando un transistor viene utilizzato come interruttore (saturazione/cut-off). Solo i progettisti di amplificatori si preoccupano dei vari livelli di corrente del collettore (guadagno) tra saturazione e cut-off. In altre parole, qualsiasi livello di corrente del collettore tra i due stati operativi di “saturazione” e “cut-off” (cioè, regione attiva) non è importante per il funzionamento di un circuito interruttore transistor.
3. “Saturazione” in un circuito interruttore transistor si ottiene quando la tensione attraverso il collettore / emettitore (VCE(sat)) è minore o uguale a .,da 1 a .3 volt-a seconda del tipo di transistor. A quel punto di tensione, il transistor sembra agire come un semplice interruttore meccanico SPST che è stato chiuso (On).

NOTA FINALE

Su una nota personale, quando ho breadboard un circuito uso solo foro passante, rosso, 5 mm di diametro, ultra-luminoso, acqua-clear dome 640 nm LED. Ho provato altri LED, ma i LED a cupola trasparente sono i migliori. Sono così brillanti, ti fanno male agli occhi – non scherzo!

Ordina un sacchetto di LED da Digi-Key, Jameco, o Mouser per il vostro prossimo progetto-rende la vita più facile., NV

Informazioni sull’interruttore a transistor

1. Qualsiasi livello di corrente di collettore (Ic) tra i due stati di saturazione e cut-off non è importante per la progettazione o il funzionamento di un interruttore a transistor — è importante solo per i progettisti di amplificatori.,
2. Quando si utilizza un transistor come interruttore (modalità digitale), DC Beta (hFE) non ha alcun significato perché il transistor non funziona nella regione attiva in cui lavorano gli amplificatori. Un interruttore a transistor è in modalità saturazione (completamente acceso) o in modalità cut-off (completamente spento). In altre parole, la formula di guadagno Ic = Beta x Ib non è valida oltre il punto di saturazione.
3. La corrente di saturazione (Ic(sat)) che scorre attraverso un interruttore a transistor non è determinata dai parametri elettrici interni del transistor, ma piuttosto dai componenti esterni (resistore/LED) impiegati dal progettista del circuito.,
4. Per forzare un interruttore a transistor in saturazione profonda, il progettista del circuito aggiunge un fattore di overdrive alla corrente di base.