hoe een Transistor als schakelaar te gebruiken

soms kan begrijpen hoe de eenvoudigste elektronische schakelingen werken intimiderend en / of verwarrend zijn voor de student, hobbyist of beginner. Als ik het me goed herinner (terug in de 17e eeuw), stopte de helft van de mensen in mijn elektronicaklas na het eerste semester. Doe er een cursus calculus bij en je zult getuige zijn van een razende stormloop naar de uitgang. Wie geven we de schuld voor dit erbarmelijke uitvalpercentage — studenten, leraren of curriculum?, Andrew Carnegie werd ooit gevraagd: “Wat is belangrijker: arbeid, kapitaal of hersenen? Zijn antwoord was: Wat is het belangrijkste been op een kruk met drie poten?”

helaas valt het antwoord op de schuldvraag buiten het bereik van dit artikel. Wat belangrijk zou moeten zijn, is het onderwerp elektronica zo presenteren dat het voor iedereen gemakkelijk is om te leren. Met dat in gedachten, laten we eens kijken naar een van die eenvoudige en alomtegenwoordige circuits: de transistor schakelaar. Maak je geen zorgen, er is niets uitdagender dan vermenigvuldigen, delen, optellen en aftrekken., Dus, laten we beginnen!

een TRANSISTOR als schakelaar

Kijk naar figuur 1. Het toont een typische general-purpose (NPN) transistor/LED circuit. Als u +5 volt aan Vcc in dit circuit aansluit en de inputterminal (Vin) met +5V, 0V, +5V, enz.pulseert., zal de LEIDENE dienovereenkomstig aan en uit knipperen. Natuurlijk, om dit circuit goed te laten functioneren, moet je de juiste weerstandwaarden voor RC en RB berekenen. Hoe doe je dat? Blijf lezen.

figuur 1.,

voordat we beginnen, moet worden opgemerkt dat we de transistor zullen gebruiken als een eenvoudige schakelaar en niet als een versterker. Vergeet niet dat transistors kunnen werken als een versterker of een schakelaar. Als u een transistor gebruikt om een signaal te versterken, wordt gezegd dat de transistor in het “actieve” of “lineaire” gebied werkt.

zonder te diep in de transistortheorie te gaan, omvat het actieve gebied een reeks werkpunten (Google “transistorkarakteristieke krommen”) waarop de transistor een signaal zonder vervorming zal versterken.,

daarentegen, wanneer de transistor als schakelaar wordt gebruikt, werkt deze in de zogenaamde “digitale” modus (aan/uit). In deze staat van werking “versterkt” de transistor het ingangsspanning (VIN) op geen enkele manier. Om een transistor als schakelaar te gebruiken, hoeft u alleen maar de stroom aan de basisterminal te verhogen tot een bepaald niveau, en de transistor zal in een staat gaan die algemeen bekend staat als “verzadiging.,”Dit is een toestand (werkwijze) waar het niet uitmaakt hoeveel extra stroom wordt gepompt in de basis terminal van de transistor, de collector stroom zal niet verder toenemen.

zodra een transistor in verzadigingsmodus is, werkt deze net als een gesloten SPST-mechanische schakelaar (zie Figuur 2). Op zijn beurt, wanneer de transistor is uitgeschakeld (geen basisstroom), gaat het in “cut-off” modus (volledig uit). Simpel gezegd, de transistor is ofwel aan of uit-versterking is niet van belang.

figuur 2.,

Oké, nu je het verschil Weet tussen een transistorversterker en een schakelaar, laten we de transistor als schakelaar gebruiken om een LED aan en uit te knipperen.

controleer het DATASHEET

De eerste stap is om de datasheets te Google voor zowel de LED als de transistor. U zult op de led datasheet een vermelding zien voor de maximale voorwaartse stroom (IF). De meeste van de populaire 5 mm diameter door-gat LED ‘ s hebben een maximale stroomsterkte ergens rond 20 mA.

zodra de maximale LED rating is vastgesteld, wat doen we met die informatie?, Het betekent dat we de maximale waarde van 20 mA moeten verlagen tot een veilig stroomniveau zodat de LED niet vernietigd wordt. Een goed startpunt ligt ergens tussen de 5 en 15 mA-afhankelijk van hoe helder een LED je nodig hebt. Laten we hier afspreken om de maximale stroom (IC(MAX)) die door onze LED stroomt in te stellen op 15 mA. Nu, ga je gang en gebruik Ohm ‘ s wet om de waarde voor de collector weerstand (Rc) te berekenen. De formule is hieronder vermeld; neem aan dat we +5V als onze voeding (Vcc) en (IC(MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC (MAX).015

heeft u een waarde berekend van 333,33 ohm voor RC? Je hebt gelijk!, Oké, stop daar-we hebben een probleem! De bovenstaande formule mist een paar belangrijke elektrische parameters. Wat ontbreekt is het feit dat zowel de LED en transistor – wanneer ingeschakeld – hebben een spanningsval over hun terminals en dit moet worden verantwoord in de formule.

een transistor voor algemeen gebruik zal ongeveer vallen .1 tot .3 volt over de collector / emitter terminals(VCE (sat); zie datasheet) in verzadigingsmodus (volledig aan)., Zodra een transistor verzadigd is, bereikt de collectorstroom een niveau of plateau waar een extra toename van de basisstroom geen verdere toename van de collectorstroom zal veroorzaken. In “theory,” op dit punt de collector/emitter spanningsval (VCE(sat)) moet nul zijn als de transistor werkte als een SPST mechanische schakelaar.

onthoud dat een mechanische schakelaar geen spanningsdaling heeft wanneer deze wordt omgedraaid naar de aan-status omdat er geen weerstand is tussen de contacten., Aan de andere kant, transistors hebben een kleine hoeveelheid weerstand over de collector/emitter terminals (RCE) wanneer ingeschakeld, en dus een spanningsdaling.

naast de daling van de transistorspanning zal de LED ook ergens tussen 1,2 en 3 volt vallen wanneer deze is ingeschakeld (zie het gegevensblad onder VF). Om de juiste waarde voor weerstand Rc te berekenen, moet de spanningsdaling over de collector/emitter (VCE(sat)) en de spanningsdaling over de LED (V(LED)) in de formule worden opgenomen., Dus, hier is dezelfde wet formule Ohm aangepast om rekening te houden met alle spanningsdalingen:

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

de berekening laat zien dat we een weerstand van 200 ohm voor Rc nodig hebben om de stroom door de LED te beperken tot een veilige 15 mA. Merk op, als we de Basic Ohm ‘ s Law formula hadden gebruikt (Rc = Vcc / IC(MAX)), zou RC 333,33 ohm zijn. Het echte probleem met het gebruik van een 333.,33 ohm weerstand voor RC begint wanneer je eigenlijk breadboard het circuit, alleen om erachter te komen de stroom die je verwacht door de LED is niet de vereiste 15 mA, maar 9.2 mA (een 39% verlies). Daarom, als u niet aan zowel de LED en transistor spanningsdalingen toe te voegen in de berekening, uw LED zal niet zo helder zijn als verwacht.

bekijk de LED en de transistor als kleine weerstanden. In een seriecircuit zou je alle weerstandwaarden bij elkaar optellen om de totale weerstand te krijgen, toch? Nou, alles wat we hier doen is rekening houden met alle spanningsdalingen in een serie circuit.,

Figuur 3 laat duidelijk zien wat er gebeurt met de collectorstroom (IC(MAX)) wanneer u niet alle spanningsdalingen in de formule opneemt.

figuur 3.

BASE om

te besturen de vraag is nu hoe je de transistor controleert zodat deze aan en uit gaat? We moeten twee dingen doen: 1. Zoek de juiste transistorbasisstroom (IB) die de transistor verzadigt. 2. Bereken de weerstandswaarde voor de basisweerstand RB (zie Figuur 1)., De formule voor het vinden van de basisstroom is:

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

let hier op, om de basisstroom (IB) te vinden, delen we de maximale collectorstroom (IC(MAX)) die we door de LED (15 mA) willen gaan door de minimale Beta vermeld op het datasheet (hFE). Wat is Beta? Beta – ook bekend als DC-stroomversterking-is een verhouding met betrekking tot hoeveel stroomversterking u kunt verwachten door middel van een transistor collector terminal gegeven een bepaalde hoeveelheid stroom die in de basis terminal. Met andere woorden, de basisstroom regelt de collectorstroom., Het is een beetje als een kleine waterklep die de stroom van water regelt die door een grote pijp loopt.

Dit gezegd zijnde — en dit is heel belangrijk-wordt Beta (gain) alleen gebruikt in versterkerontwerp. Wanneer u een transistor als schakelaar (digitale modus) gebruikt, heeft Beta weinig effect of Betekenis omdat de transistor niet werkt in het actieve gebied waarin versterkers werken. Zodra een transistorschakelaar in de verzadigingsmodus is, is er geen collectorstroomversterking meer dan verzadiging.,

met andere woorden, zodra een transistorschakelaar het verzadigingspunt bereikt, is de versterkingsformule IC = Beta X IB niet langer van toepassing omdat de spanningsdaling over de collector/emitter terminals (VCE(sat)) de laagste verzadigingsspanning van heeft bereikt .1V. wanneer VCE(sat) dit spanningsniveau bereikt, kan de collectorstroom niet verder toenemen dan dit punt — zelfs als de basisstroom blijft toenemen.

onthoud dat een transistor in de digitale modus (aan/uit) ofwel in de verzadigingsmodus (volledig ingeschakeld) ofwel in de cut-off-modus (volledig uitgeschakeld) werkt., Daarom is elk niveau van collector stroom (Ic) tussen de twee staten van verzadiging en cut-off is niet belangrijk voor de werking van een transistor schakelaar — het is alleen belangrijk voor versterker ontwerpers.

Oké, dus welke waarde gebruiken we voor Beta in de formule om de basisstroom (IB) te vinden? Nou, de standaard vuistregel stelt dat je de minimale Beta (HFE) moet gebruiken die op het datasheet staat. Helaas plaatst de minimale bèta op het datablad de transistor alleen aan de rand van verzadiging (EOS)., Aangezien transistors gevoelig zijn voor temperatuurveranderingen, kan een verandering in temperatuur de transistor dwingen om van het EOS naar het “actieve” gebied (versterkergebied) te bewegen.

daarom gebruiken we, om deze mogelijkheid te elimineren, wat bekend staat als een “Overdrive Factor” (ODF). Dit is een willekeurig getal tussen 2 en 10 dat wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat de transistor hard in verzadiging wordt gedreven (volledig ingeschakeld) — en waar temperatuurveranderingen de transistor niet uit verzadiging laten vallen. Daarom is IB gelijk aan:

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
merk in de bovenstaande formule op dat we met een ODF van 10 de basisstroom verhogen van 150 µA naar 1,5 mA, waardoor de transistor in diepe verzadiging wordt gedwongen. Bijvoorbeeld, als een datasheet een Beta(min) van 75 vermeldt, en je een collectorstroom (IC(MAX)) van 25 mA nodig hebt, dan zou IB dat zijn .333 mA (.000333A). Helaas, 333 µA zou alleen de transistor op de EOS zetten. Door een ODF van 10 te gebruiken, verhogen we de basisstroom (IB) tot 3,3 mA — ver voorbij de EOS en in diepe verzadiging.,

nu we een basisstroom (IB) van 1,5 mA hebben vastgesteld is nodig om onze transistor te verzadigen, laten we de weerstandswaarde berekenen die nodig is voor de basisweerstand RB. Nogmaals, we gebruiken Ohm ‘ s wet om te berekenen voor RB:

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

merk in bovenstaande formule op dat VBE (sat) de vereiste basisspanning is die aanwezig moet zijn om de basis-emitter-verbinding van de transistor naar voren te bias (d.w.z. om de transistor aan te zetten). Over het algemeen ligt deze waarde ertussen .6 tot .7 volt voor een transistor voor algemeen gebruik., Controleer altijd VBE (sat) vermeld op het datasheet om te controleren.

Figuur 4 toont het voltooide ledcircuit met alle componenten en elektrische parameters duidelijk gemarkeerd(de wet van Ohm werd ook gebruikt om de weerstand voor R(LED) en R (CE) te berekenen).

figuur 4.

we hebben nu de juiste weerstandwaarden om het LED-en transistorcircuit op een veilige manier te kunnen bedienen: Rc = 200 ohm; en RB = 2933,33 ohm.

Ik weet zeker dat je hebt gemerkt dat onze 2.,933K weerstand is niet een standaard maat die je eigenlijk overal kunt kopen. De vuistregel stelt in dit geval dat u de volgende standaardweerstandwaarde onder 2,933 K (2,7 K tot 2,87 K) kunt gebruiken. Waarom?

de lagere weerstand vermindert alleen de kans dat de transistor uit de verzadigingsmodus valt tijdens temperatuur-en voedingsvariaties door de basisstroom te verhogen (d.w.z. dat de transistor nog dieper in de verzadiging gaat).

RECAP

laten we alle stappen bekijken die nodig zijn om een transistor als switch te gebruiken:

1. Download de datasheets voor de LED en transistor.,
2. Bepaal de maximale stroom (IC(MAX)) die u door de LED en transistor wilt gaan, en controleer of deze de maximale stroomwaarde van de LED (IF) of de transistor (IC) niet overschrijdt; raadpleeg het datablad.
3. Bereken de waarde voor weerstand Rc. Zorg ervoor dat de spanningsdalingen voor de LED (V(LED)) en de transistor (VCE(sat)) in de Wetformule van Ohm worden opgenomen.
4. Bereken de basisstroom IB van de transistor met een ODF van 10.
5. Bereken de weerstandswaarde voor basisweerstand RB.

dat is het. Een beetje makkelijk, misschien niet.,

belangrijke punten

1. De circuitontwerper (u) bepaalt wat de juiste stroom van de transistorcollector (IC(sat)) moet zijn door te kijken naar de datasheets van de LED/transistor en te controleren of de stroom die door het transistor / LED-circuit gaat onder de maximale waarden voor beide apparaten ligt. Met andere woorden, de verzadigingsstroom (IC(sat)) die door een transistorschakelaar stroomt, wordt niet bepaald door de interne elektrische parameters van de transistor, maar door de externe componenten (Weerstand/LED) die door de circuitontwerper worden gebruikt.,
2. bèta (DC gain) zoals vermeld in het gegevensblad heeft geen betekenis Wanneer een transistor wordt gebruikt als schakelaar (verzadiging/cut-off). Alleen versterkerontwerpers geven om de verschillende niveaus van collectorstroom (gain) tussen verzadiging en cut-off. Met andere woorden, elk niveau van collectorstroom tussen de twee bedrijfstoestanden “verzadiging” en “cut-off” (d.w.z. actief gebied) is niet van belang voor de werking van een transistorschakelcircuit.
3. “verzadiging” in een transistorschakelcircuit wordt bereikt wanneer de spanning over de collector/ emitter (VCE(sat)) kleiner is dan of gelijk is aan .,1 tot .3 volt-afhankelijk van het type transistor. Op dat spanningspunt lijkt de transistor te werken als een eenvoudige SPST mechanische schakelaar die is gesloten (aan).

eindnoot

op een persoonlijke noot, wanneer ik een circuit breadboard gebruik ik alleen doorgaande, rode, 5 mm diameter, ultraheldere, waterheldere dome 640 nm LEDs. Ik heb andere LEDs geprobeerd, maar de water-clear dome LEDs zijn de beste. Ze zijn zo helder, ze doen pijn aan je ogen-geen grapje!

Bestel een zak LEDs van Digi-Key, Jameco, of Mouser voor uw volgende project-het maakt het leven gemakkelijker., NV

feiten over de Transistorschakelaar

1. elk niveau van collectorstroom (IC) tussen de twee staten van verzadiging en cut-off is niet belangrijk voor het ontwerp of de werking van een transistorschakelaar — het is alleen belangrijk voor versterkerontwerpers.,
2. bij gebruik van een transistor als schakelaar (digitale modus) heeft DC Beta (hFE) geen betekenis omdat de transistor niet werkt in het actieve gebied waarin versterkers werken. Een transistorschakelaar is ofwel in de verzadigingsmodus (volledig aan) ofwel in de cut-off-modus (volledig uit). Met andere woorden, de winstformule Ic = Beta X Ib is ongeldig voorbij het verzadigingspunt.
3. de verzadigingsstroom(Ic (sat)) die door een transistorschakelaar stroomt, wordt niet bepaald door de interne elektrische parameters van de transistor, maar door de externe componenten (Weerstand/LED) die door de ontwerper van het circuit worden gebruikt.,
4. om een transistorschakelaar te forceren in diepe verzadiging, voegt de ontwerper van het circuit een overdrive-factor toe aan de basisstroom.