– Hvordan å Bruke en Transistor som Bryter

noen Ganger forstå hvordan den enkleste av elektroniske kretser arbeid kan være skremmende og/eller forvirrende for studenten, hobby, eller nybegynner. Hvis jeg husker riktig (tilbake i det 17. århundre), halvparten av dem i min elektronikk klasse droppet ut etter første semester. Kaste i et kurs på kalkulus og du vitne til en voldsom panikk for utgangsdøren. Hvem kan vi skylde for denne abysmal frafallsprosenten — studenter, lærere eller læreplanen?, Andrew Carnegie ble en gang spurt: «Hva er mer viktig: arbeid, kapital, eller hjerner?»Var svaret hans, «Hva er det mest viktig etappe på en tre-legged krakk?»

Dessverre er svaret til skyld spørsmålet er utenfor omfanget av denne artikkelen. Hva som bør være viktig er å presentere emnet på elektronikk på en slik måte som gjør det enkelt for alle å lære. Med det i tankene, la oss ta en titt på en av disse enkle og allestedsnærværende kretser: transistoren bytte. Ikke bekymre deg, det er ingenting mer utfordrende her enn multiplikasjon, divisjon, addisjon og subtraksjon., Så la oss starte!

EN TRANSISTOR SOM BRYTER

Se på Figur 1. Det viser en typisk general-purpose (NPN) transistor/LED-krets. Hvis du hekte +5 volt til Vcc i denne kretsen og puls inngang (Vin) med +5V, 0V, +5V, etc. LED vil blinke av og på i henhold til dette. Selvfølgelig, for å gjøre denne kretsen fungerer på riktig måte, må du beregne riktig motstand verdier for RC og RB. Hvordan gjør du det? Vel, holde lesing.

FIGUR 1.,

Før vi begynner, bør det bemerkes at vi skal bruke transistor som et enkelt bytte, og ikke som en forsterker. Husk, transistorer kan fungere enten som en forsterker eller en bryter. Hvis du bruker en transistor til å forsterke et signal, transistoren er sagt å være i drift i «aktiv» eller «lineær» region.

Uten å gå for dypt inn transistor teori, den aktive regionen innebærer en rekke drifts-poeng (Google «transistor karakteristiske kurver») som transistor vil forsterke et signal uten forvrengning.,

På den annen side, når transistoren brukes som en bryter, det er drift i det som er kalt «digital» modus (på/av). I denne tilstanden av drift, transistor ikke «forsterke» input voltage (VIN) på noen som helst måte. For å bruke en transistor som et bytte, alt du trenger å gjøre er å øke strømmen i basen terminal til et visst nivå, og transistoren vil gå inn i en tilstand kjent som «metning.,»Dette er en tilstand (modus av drift) der uansett hvor mye ekstra strøm er pumpet inn i basen terminal av transistoren, og kollektor gjeldende, vil ikke øke ytterligere.

Når en transistor i metning modus, det fungerer akkurat som en lukket SPST mekanisk bryter (se Figur 2). I sin tur, når transistoren er slått off (ingen base gjeldende), går det inn i «cut-off» – modus (fullt ut). Enkelt sagt, transistor er enten på eller av — for forsterkning er uvesentlig.

FIGUR 2.,

Ok, nå som du vet forskjellen mellom en transistor forsterker og en bryter, la oss bruke transistoren som en bryter for til-flash-LED på og av.

KONTROLLER DATAARK

Det første trinnet er å Google dataark for både LED og transistoren. Du vil legge merke til på LED-datablad en oppføring for maksimal videresend gjeldende (IF). De fleste av de populære diameter på 5 mm gjennomgående hull Led-lys har en maksimal strømstyrke et sted rundt 20 mA.

Når maksimal LED-rating er etablert, hva gjør vi med opplysningene?, Vel, det betyr at vi må redusere maks vurdering av 20 mA til et trygt dagens nivå slik at LED ikke er ødelagt. Et godt utgangspunkt er et sted mellom 5 og 15 mA — avhengig av hvor lyst på en LED-du trenger. La oss enig her for å angi den maksimale strøm (IC(MAKS)) som strømmer gjennom våre LED-15 mA. Nå, gå videre og bruke Ohms Lov til å beregne verdien for samleren motstand (Rc). Formelen er oppført nedenfor, antar vi har +5V som vår strømforsyning (Vcc) og (IC(MAKS)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC(MAKS) .015

Visste du beregne en verdi av 333.33 ohm for RC? Du er riktig!, Ok, stopp rett der — vi har et problem! Formelen ovenfor mangler et par veldig viktige elektriske parametere. Det som mangler er det faktum at både LED og transistor — når slått på — har et spenningsfall over terminalene og dette må gjøres rede for i formelen.

En generell transistor vil falle om .1 til .3 volt over collector/emitter terminaler (VCE(sat), se datablad) når du er i metning modus (slått på)., Når en transistor mettet fett, samleren gjeldende når et nivå eller platå der noen ytterligere økning i basen gjeldende, vil ikke føre til en ytterligere økning i solfangeren gjeldende. I «teorien» på dette punktet samleren/emitter spenning slipp (VCE(sat)) bør være null hvis transistor jobbet som en SPST mekanisk bryter.

Husk, en mekanisk bryter har ingen spenningsfall når snudd til på staten fordi det er ingen motstand mellom kontaktene., På den annen side, transistorer har et lite motstand over collector/emitter terminaler (RCE) når den er slått på, og derfor et spenningsfall.

I tillegg til transistor spenningsfall, LED vil også falle et sted mellom 1,2 og 3 volt når det er slått på (se dataark under VF). Derfor, for å beregne riktig verdi for motstanden Rc, spenningsfallet over collector/emitter (VCE(sat)) og spenningsfallet over LED (V(LED)) må være inkludert i formelen., Så, her er den samme Ohms Lov formel endret for å redegjøre for alle de spenningsfall:

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAKS.)

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

beregningen viser at vi trenger en 200 ohm motstand for Rc for å begrense gjeldende gjennom FØRT til en trygg 15 mA. Varsel om vi hadde brukt de grunnleggende Ohms Lov formel (Rc = Vcc / IC(MAKS)), RC ville være 333.33 ohm. Det virkelige problemet med å bruke et 333.,33 ohm motstand for RC begynner når du faktisk koblingsbrett kretsen, bare for å finne ut nåværende du forventet gjennom LED er ikke de nødvendige 15 mA, men 9.2 mA (39% tap). Derfor, hvis du ikke klarer å legge til både LED og emitter spenningen faller i beregningen, LED vil ikke være så lyse som forventet.

Prøv og se på LED og transistor som små motstander. I en serie krets, ville du legge til alle motstanden verdier sammen for å få den totale motstand, ikke sant? Vel, alt vi gjør her er regnskap for alle spenningen faller i en serie krets.,

Figur 3 viser tydelig hva som skjer samleren strøm (IC(MAKS)) når du ikke inkludere alle spenningen faller i formelen.

FIGUR 3.

BASE for Å KONTROLLERE

spørsmålet nå er hvordan du styrer transistoren slik at den slår seg på og av? Vel, vi har å gjøre to ting: 1. Finne riktig transistor-base-nåværende (IB) som vil metter transistor. 2. Beregne motstand verdi for base motstand RB (se Figur 1)., Formelen for å finne base aktuelle er:

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

legg Merke til her, for å finne base gjeldende (IB), vi deler den maksimale collector strøm (IC(MAKS)) ønsker vi å gå gjennom LED (15 mA) av minimum Beta oppført på databladet (hFE). Hva er Beta? Beta — også kjent som LIKESTRØM få — er forhold knyttet til hvor mye kortsiktig gevinst du kan forvente gjennom en transistor collector ‘ s terminal gitt en viss mengde strøm som går inn i basen terminal. Med andre ord, base nåværende styrer collector gjeldende., Det er litt som et lite vann ventil for å kontrollere flyten av vann som renner gjennom en stor pipe.

når det er sagt — og dette er svært viktig — Beta (gevinst) brukes bare forsterker design. Når du bruker en transistor som bryter (digital modus), Beta har liten effekt eller betydning fordi transistoren ikke fungerer i det aktive området som forsterkere arbeid i. Når en transistor-bryteren er i modus metning, det er ingen som samler kortsiktig gevinst utover metning.,

med andre ord, når en transistor bytte når metning punktet, få formel IC = Beta x IB gjeldende lenger fordi spenningsfallet over collector/emitter terminaler (VCE(sat)) har nådd sitt laveste metning spenning .1V. Når VCE(sat) når dette spenningsnivået, samleren strøm kan ikke øke utover dette punktet, selv om base gjeldende fortsetter å øke.

Husk, en transistor som opererer i digital modus (på/av) er enten i metning modus (fullt slått på) eller i cut-off-modus (fullt slått av)., Derfor, alle nivå av collector strøm (Ic) i mellom de to statene i metning og cut-off er ikke viktig for driften av en transistor bytte — det er bare viktig å forsterker designere.

Okay, så hva verdien gjør vi bruk for Beta i formelen for å finne base gjeldende (IB)? Vel, vanlig tommelfingerregel sier at du skal bruke minst mulig Beta (hFE) som er oppført på databladet. Dessverre, minimum Beta oppført på databladet vil bare plassere transistor på Kanten av Metning (EOS)., Siden transistorer er følsomme for temperaturendringer, endringer i temperatur kan tvinge transistor til å flytte fra EOS inn i «aktiv» – området (forsterker region).

Derfor, for å eliminere denne muligheten, vi bruker det som er kjent som en «Overdrive Faktor» (ODF). Dette er et tilfeldig tall mellom 2 og 10 som er brukt for å sikre at transistoren er drevet hardt i metning (fullt slått på) — og der temperaturen endres ikke klarer å slippe transistor ut av metning. Derfor, IB er lik:

IB = IB(EOS) x ODF
↓
IB = IC(MAKS) x ODF
Beta (min)
IB = .,015 x ODF
100
IB = .15 mA x 10
IB = 1.5 mA
legg Merke til, i formelen ovenfor, ved hjelp av et ODF av 10 vi øke base gjeldende fra 150 μa til 1,5 mA, og dermed sikre at transistoren er tvunget inn i dyp metning. For eksempel, hvis et dataark som er oppført en Beta(min) 75, og du trengte en samler strøm (IC(MAKS)) av 25 mA, IB ville være .333 mA (.000333A). Dessverre, 333 μa ville bare sette transistor på EOS. Ved hjelp av en ODF-10, vi øke base gjeldende (IB) 3,3 mA — godt utover EOS og i dyp metning.,

Nå som vi har etablert en base gjeldende (IB) på 1,5 mA er nødvendig for å mette våre transistor, la oss beregne motstand verdi er nødvendig for base motstand RB. Igjen, vi bruker Ohms Lov å beregne for RB:

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

Merk i formelen ovenfor, at VBE(sat) er nødvendig base spenning som må være til stede for å frem-bias transistoren base/emitter-dioden (dvs., for å slå transistor på). Generelt, denne verdien er mellom .6 .7 volt for en generell transistor., Alltid sjekk VBE(sat) er oppført på den dataark for å bekrefte.

Figur 4 viser den ferdige LED-krets med alle komponenter og elektriske parametere tydelig merket (Ohms Lov ble også brukt til å beregne motstand for R(LED) og R(CE)).

FIGUR 4.

Vi nå har de riktige motstand verdier for å kunne betjene LED og transistor krets på en sikker måte: Rc = 200 ohm, og RB = 2933.33 ohm.

jeg er sikker på at du har merke at våre 2.,933K motstanden er ikke en standard størrelse du kan faktisk kjøpe hvor som helst. Tommelfingerregelen i dette tilfellet sier at du kan bruke det neste standard motstand verdi under 2.933 K (2.7 K til 2.87 K). Hvorfor?

Den lavere motstand, bare bidrar til å redusere sjansen for transistoren fra å falle ut av metning-modus i løpet av temperatur og strømforsyning variasjoner ved å øke base kortsiktig (dvs., transistor går enda dypere inn i metning).

OPPSUMMERING

La oss gå gjennom alle trinnene som kreves for å bruke en transistor som bryter:

1. Last ned dataark for LED og transistor.,
2. Bestemme maks strøm (IC(MAKS)) du ønsker å gå gjennom LED og transistor, og kontroller at den ikke overstiger maksimal strømstyrke på LED-en (HVIS) eller transistor (Ic); se produkt datablad.
3. Beregne verdien for motstand Rc. Sørg for å inkludere spenningen faller for LED (V(LED)) og emitter (VCE(sat)) i Ohms Lov formel.
4. Beregne transistor base gjeldende IB ved hjelp av en ODF av 10.
5. Beregn den motstand verdi for base motstand RB.

det er det. Slags lett — vel, kanskje ikke.,

VIKTIG POENG

– >

1. kretsen designer (du) bestemmer hva de riktige transistor collector strøm (IC(sat)) bør være ved å se på LED/transistor dataark og kontrollere at strømmen som går gjennom transistoren/LED-krets er under de maksimale rangeringer for begge enhetene. Med andre ord, metning strøm (IC(sat)) som strømmer gjennom en transistor-bryteren er ikke bestemt av transistor interne elektriske parametere, men heller av eksterne komponenter (motstand/LED) er ansatt i kretsen designer.,
2. Beta (DC gevinst) som er oppført i dataarket har ingen betydning når en transistor brukes som en bryter (metning/cut-off). Bare forsterker designere bryr seg om ulike nivåer av collector gjeldende (gevinst) i mellom metning og cut-off. Med andre ord, alle nivå av collector gjeldende i mellom de to driftsforhold i «metning» og «cut-off» (dvs., aktiv region) er ikke viktig for driften av en transistor slå krets.
3. «Metning» i en transistor slå krets er oppnådd når spenningen over collector/ emitter (VCE(sat)) er mindre enn eller lik .,1 til .3 volt – avhengig av type transistor. På det spenning punktet, transistor ser ut til å fungere som en enkel SPST mekanisk bryter som har vært stengt (På).

SISTE NOTE

På et personlig notat, når jeg koblingsbrett en krets som jeg bruker bare gjennom-hull, rød, diameter på 5 mm, ultra-lys, vann-klar kuppel 640 nm Lysdioder. Jeg har prøvd andre Lysdioder, men vann-klart dome Led er den beste. De er så lyse, de såre øynene — jeg tuller ikke!

For en pose med Lysene fra Digi-Key, Jameco, eller Mouser for ditt neste prosjekt — det gjør livet enklere., NV

Fakta om Transistor Bytte

1. Alle nivå av collector strøm (Ic) i mellom de to statene i metning og cut-off er ikke viktig for design eller funksjon av en transistor bytte — det er bare viktig å forsterker designere.,
2. Ved hjelp av en transistor som bryter (digital modus), DC Beta (hFE) har ingen betydning fordi transistoren ikke fungerer i det aktive området som forsterkere arbeid i. En transistor-bryteren er enten i metning modus (slått på) eller cut-off-modus (fullt ut). Med andre ord, få formel Ic = Beta x Ib er ugyldig utover metning punkt.
3. metning strøm (Ic(sat)) som strømmer gjennom en transistor-bryteren er ikke bestemt av transistor interne elektriske parametere, men heller av eksterne komponenter (motstand/LED) er ansatt i kretsen designer.,
4. for Å tvinge en transistor bytte til dyp metning, kretsen designer legger til en overdrive faktor til base gjeldende.