jak używać tranzystora jako przełącznika

czasami zrozumienie, jak działają najprostsze układy elektroniczne, może być onieśmielające i/lub mylące dla studenta, hobbysty lub początkującego. O ile dobrze pamiętam (jeszcze w XVII wieku), połowa moich uczniów z elektroniki zrezygnowała po pierwszym semestrze. Dorzuć kurs z rachunku a będziesz świadkiem szalejącej paniki do drzwi wyjściowych. Kogo winimy za ten fatalny wskaźnik porzucania-uczniów, nauczycieli czy program nauczania?, Andrew Carnegie został kiedyś zapytany: „co jest ważniejsze: praca, kapitał czy mózg?”Jego odpowiedź brzmiała:” Jaka jest najważniejsza noga na trójnogim stołku?”

Niestety, odpowiedź na pytanie o winę wykracza poza zakres tego artykułu. Ważne jest, aby zaprezentować temat elektroniki w taki sposób, aby ułatwić każdemu naukę. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się jednemu z tych prostych i wszechobecnych układów: przełącznikowi tranzystorowemu. Nie martw się, nie ma tu nic trudniejszego niż mnożenie, dzielenie, dodawanie i odejmowanie., Więc zaczynajmy!

tranzystor jako przełącznik

spójrz na rysunek 1. Pokazuje typowy Obwód tranzystora/LED ogólnego przeznaczenia (NPN). Jeśli podłączysz +5 V do Vcc w tym obwodzie i impulsujesz terminal wejściowy (Vin) z +5V, 0V, +5V, itp., DIODA LED będzie migać i wyłączać odpowiednio. Oczywiście, aby ten obwód działał poprawnie, musisz obliczyć prawidłowe wartości rezystorów dla RC i RB. Jak ty to robisz? Czytaj dalej.

rysunek 1.,

zanim zaczniemy, należy zauważyć, że będziemy używać tranzystora jako prostego przełącznika, a nie jako wzmacniacza. Pamiętaj, że tranzystory mogą działać zarówno jako wzmacniacz, jak i przełącznik. Jeśli używasz tranzystora do wzmocnienia sygnału, mówi się, że tranzystor działa w obszarze” aktywnym „lub” liniowym”.

nie wchodząc zbyt głęboko w teorię tranzystorów, obszar aktywny obejmuje zakres punktów roboczych (Google „transistor characteristic curves”), w których tranzystor będzie wzmacniał sygnał bez zniekształceń.,

z drugiej strony, gdy tranzystor jest używany jako przełącznik, pracuje on w tzw. trybie „cyfrowym” (on/off). W tym stanie pracy tranzystor w żaden sposób nie” wzmacnia ” napięcia wejściowego (VIN). Aby użyć tranzystora jako przełącznika, wystarczy zwiększyć prąd na terminalu bazowym do określonego poziomu, a tranzystor przejdzie w stan powszechnie znany jako ” nasycenie.,”Jest to stan (tryb pracy), w którym bez względu na to, ile dodatkowego prądu zostanie wpompowane do zacisku bazowego tranzystora, prąd kolektora nie zwiększy się dalej.

gdy tranzystor jest w trybie nasycenia, działa tak jak zamknięty przełącznik mechaniczny SPST (patrz rysunek 2). Z kolei po wyłączeniu tranzystora (brak prądu podstawowego) przechodzi on w tryb „cut-off” (całkowicie wyłączony). Mówiąc najprościej, tranzystor jest włączony lub wyłączony-wzmocnienie jest nieistotne.

rysunek 2.,

ok, teraz, gdy znasz różnicę między wzmacniaczem tranzystorowym a przełącznikiem, użyjmy tranzystora jako przełącznika, aby włączyć i wyłączyć diodę LED.

sprawdź Arkusz danych

pierwszym krokiem jest Wygooglowanie arkuszy danych zarówno dla diody LED, jak i tranzystora. W arkuszu danych LED zauważysz listę maksymalnego prądu do przodu (jeśli). Większość popularnych Diod przelotowych o średnicy 5 mm mA Maksymalny Prąd znamionowy około 20 mA.

Po ustaleniu maksymalnej oceny LED, co robimy z tymi informacjami?, Oznacza to, że musimy zmniejszyć maksymalną wartość 20 mA do bezpiecznego poziomu prądu, aby dioda LED nie została zniszczona. Dobrym punktem wyjścia jest gdzieś między 5 a 15 mA — w zależności od tego, jak jasny DIODA LED potrzebujesz. Uzgodnijmy tutaj, aby ustawić maksymalny prąd (IC (MAX)) przepływający przez naszą diodę LED na 15 mA. Teraz skorzystaj z prawa Ohma, aby obliczyć wartość rezystora kolektora (RC). Wzór jest podany poniżej; Załóżmy, że mamy +5V jako nasz zasilacz (Vcc) i(IC (MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC (MAX).015

obliczyłeś wartość 333.33 ohm dla RC? Masz rację!, Zatrzymaj się, mamy problem! W powyższym wzorze brakuje kilku bardzo ważnych parametrów elektrycznych. Brakuje tylko tego, że zarówno DIODA LED, jak i tranzystor — po włączeniu-mają spadek napięcia na swoich zaciskach i to musi być uwzględnione we wzorze.

tranzystor ogólnego przeznaczenia spadnie ok .1 do .3 V na zaciskach kolektora / emitera (VCE (sat); patrz arkusz danych), gdy jest w trybie nasycenia (w pełni włączony)., Po nasyceniu tranzystora prąd kolektora osiąga poziom lub plateau, gdzie jakikolwiek dodatkowy wzrost prądu podstawowego nie spowoduje dalszego wzrostu prądu kolektora. W „teorii” w tym momencie spadek napięcia kolektora/emitera (VCE (sat)) powinien wynosić zero, jeśli tranzystor działał jak przełącznik mechaniczny SPST.

pamiętaj, że przełącznik mechaniczny nie ma spadku napięcia po przełączeniu do stanu on, ponieważ nie ma oporu między stykami., Z drugiej strony, Tranzystory mają niewielką rezystancję na zaciskach kolektora/emitera (RCE) po włączeniu, a tym samym spadek napięcia.

oprócz spadku napięcia tranzystora, DIODA LED spadnie również gdzieś pomiędzy 1,2 A 3 V, gdy jest włączona (sprawdź kartę danych pod VF). Dlatego, aby obliczyć prawidłową wartość dla rezystora Rc, we wzorze należy uwzględnić spadek napięcia na kolektorze/emiterze (VCE(sat)) i spadek napięcia na diodzie LED (V(LED))., Tak więc, oto wzór prawa Ohma zmodyfikowany, aby uwzględnić wszystkie spadki napięcia:

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)

Rc = VCC – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)
RC = 5 – 1.9 – .1
.015
Rc = 200 omów

obliczenia pokazują, że potrzebujemy rezystora 200 omów dla Rc, aby ograniczyć prąd przez diodę LED do bezpiecznego 15 mA. Zauważ, że gdybyśmy użyli podstawowego wzoru prawa Ohma (Rc = Vcc / IC (MAX)), RC byłoby 333.33 ohm. Prawdziwy problem z używaniem 333.,Rezystor 33 ohm dla RC zaczyna się, gdy faktycznie breadboard obwodu, tylko aby dowiedzieć się, prąd oczekiwany przez diodę LED nie jest wymagane 15 mA, ale 9.2 mA (39% straty). Dlatego jeśli nie dodasz zarówno spadku napięcia LED, jak i tranzystora w obliczeniach, DIODA LED nie będzie tak jasna, jak oczekiwano.

spróbuj spojrzeć na diodę LED i tranzystor jako małe Rezystory. W obwodzie szeregowym dodałbyś wszystkie wartości rezystora razem, aby uzyskać całkowitą rezystancję, prawda? Wszystko, co tu robimy, to rozliczanie wszystkich spadków napięcia w obwodzie szeregowym.,

Rysunek 3 wyraźnie pokazuje, co dzieje się z prądem kolektora (IC(MAX)), gdy nie uwzględniasz wszystkich spadków napięcia we wzorze.

Rysunek 3.

podstawa do sterowania

pytanie teraz jak sterować tranzystorem tak aby się włączał i wyłączał? Musimy zrobić dwie rzeczy: 1. Znajdź właściwy prąd bazowy tranzystora (IB), który nasyci tranzystor. 2. Obliczyć wartość rezystancji rezystora bazowego RB (patrz rysunek 1)., Wzór na znalezienie prądu bazowego to:

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

zauważ tutaj, aby znaleźć prąd bazowy (IB), dzielimy maksymalny prąd kolektora (IC(MAX)) chcemy przejść przez diodę LED (15 mA) przez minimum Beta wymienione w arkuszu danych (hFE). Co To jest Beta? Beta-znany również jako DC current gain – jest współczynnikiem odnoszącym się do tego, ile wzmocnienia prądu można oczekiwać przez zacisk kolektora tranzystora, biorąc pod uwagę pewną ilość prądu przechodzącego do zacisku podstawowego. Innymi słowy, prąd podstawowy kontroluje prąd kolektora., To coś jak mały zawór wodny kontrolujący przepływ wody przepływającej przez dużą rurę.

mówiąc to wszystko — i to jest bardzo ważne — Beta (gain) jest stosowana tylko w konstrukcji wzmacniacza. Kiedy używasz tranzystora jako przełącznika (tryb cyfrowy), Beta ma niewielki wpływ lub znaczenie, ponieważ tranzystor nie działa w obszarze aktywnym, w którym pracują wzmacniacze. Gdy przełącznik tranzystorowy jest w trybie nasycenia, nie ma wzmocnienia prądu kolektora poza nasyceniem.,

innymi słowy, gdy przełącznik tranzystorowy osiągnie punkt nasycenia, formuła wzmocnienia IC = Beta x IB nie ma już zastosowania, ponieważ spadek napięcia na zaciskach kolektora / emitera(VCE (sat)) osiągnął najniższe napięcie nasycenia .1V. gdy VCE (sat) osiągnie ten poziom napięcia, prąd kolektora nie może wzrosnąć poza ten punkt — nawet jeśli prąd podstawowy nadal rośnie.

pamiętaj, że tranzystor pracujący w trybie cyfrowym (on / off) jest w trybie nasycenia (w pełni włączony) lub w trybie odcięcia (w pełni wyłączony)., Dlatego każdy poziom prądu kolektora (Ic)pomiędzy dwoma stanami nasycenia i odcięcia nie jest ważny dla funkcjonowania przełącznika tranzystorowego — jest ważny tylko dla konstruktorów wzmacniaczy.

ok, więc jakiej wartości używamy Dla Beta we wzorze, aby znaleźć prąd bazowy (IB)? Cóż, standardowa zasada mówi, że powinieneś użyć minimalnej Beta (hFE) wymienionej w arkuszu danych. Niestety, minimalna Beta wymieniona w arkuszu danych umieści tranzystor tylko na krawędzi nasycenia (EOS)., Ponieważ tranzystory są wrażliwe na zmiany temperatury, zmiana temperatury może wymusić Przejście tranzystora z EOS do obszaru „aktywnego” (obszaru wzmacniacza).

dlatego, aby wyeliminować tę możliwość, używamy tzw. „Overdrive Factor” (ODF). Jest to dowolna liczba między 2 a 10, która jest używana do zapewnienia, że tranzystor jest mocno doprowadzony do nasycenia (w pełni włączony) — i gdzie zmiany temperatury nie obniżają nasycenia tranzystora. Dlatego IB jest równy:

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
zauważ, że we wzorze powyżej, używając ODF 10 zwiększamy prąd podstawowy z 150 µA do 1,5 mA, zapewniając tym samym, że tranzystor jest zmuszony do głębokiego nasycenia. Na przykład, jeśli w arkuszu danych podano Beta (min) 75, A potrzebny jest prąd kolektora (IC(MAX)) 25 mA, IB byłby .333 mA (.000333A). Niestety, 333 µA tylko umieścić tranzystor w EOS. Używając ODF 10, zwiększamy prąd podstawowy (IB) do 3,3 mA — znacznie poza EOS i do głębokiego nasycenia.,

teraz, gdy ustaliliśmy, że prąd bazowy (IB) jest wymagany do nasycenia naszego tranzystora na poziomie 1,5 mA, obliczmy wartość rezystancji potrzebną dla rezystora bazowego RB. Po raz kolejny używamy prawa Ohma do obliczenia dla RB:

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

zauważ w powyższym wzorze, że VBE (sat) jest wymaganym napięciem podstawowym, które musi być obecne w celu odchylenia do przodu złącza podstawa/emiter tranzystora (tzn. aby włączyć tranzystor). Ogólnie rzecz biorąc, wartość ta jest pomiędzy .6 do .7 V dla tranzystora ogólnego przeznaczenia., Zawsze sprawdzaj VBE (sat) wymienione w arkuszu danych, aby zweryfikować.

Rysunek 4 pokazuje gotowy Obwód LED z wyraźnie zaznaczonymi wszystkimi komponentami i parametrami elektrycznymi(Prawo Ohma zostało również użyte do obliczenia rezystancji dla R(LED) i R (CE)).

rysunek 4.

mamy teraz prawidłowe wartości rezystorów, aby bezpiecznie obsługiwać Obwód LED i tranzystora: Rc = 200 omów; oraz RB = 2933,33 omów.

na pewno zauważyliście, że nasze 2,Rezystor 933K nie jest standardowym rozmiarem, który można kupić w dowolnym miejscu. Zasada mówi w tym przypadku, że możesz użyć następnej standardowej wartości rezystora poniżej 2,933 K (2,7 K do 2,87 K). Dlaczego?

niższa rezystancja pomaga jedynie zmniejszyć prawdopodobieństwo wyjścia tranzystora z trybu nasycenia podczas zmian temperatury i zasilania, zwiększając prąd podstawowy (tzn. tranzystor przechodzi jeszcze głębiej w nasycenie).

podsumowanie

przejrzyjmy wszystkie kroki wymagane do użycia tranzystora jako przełącznika:

1. Pobierz Arkusze danych dla diody LED i tranzystora.,
2. Określ maksymalny prąd (IC (MAX)), który chcesz przejść przez diodę LED i tranzystor, i sprawdź, czy nie przekracza maksymalnej wartości prądu LED (IF) lub tranzystora (IC); zapoznaj się z arkuszem danych.
3. Oblicz wartość rezystora Rc. Pamiętaj, aby uwzględnić spadki napięcia dla diody LED (V (LED)) i tranzystora (VCE (sat)) we wzorze prawa Ohma.
4. Oblicz prąd podstawowy tranzystora IB, używając ODF 10.
5. Oblicz wartość rezystancji dla rezystora bazowego RB.

to wszystko. Trochę łatwo-cóż, może nie.,

ważne punkty

1. projektant obwodów (ty) określa, jaki powinien być prawidłowy prąd kolektora tranzystorowego (IC(sat)), przeglądając Arkusze danych LED/tranzystora i sprawdzając, czy prąd przechodzący przez obwód tranzystora / LED jest poniżej maksymalnych wartości dla obu urządzeń. Innymi słowy, prąd nasycenia(IC (sat)) przepływający przez przełącznik tranzystorowy nie jest określony przez wewnętrzne parametry elektryczne tranzystora, ale raczej przez zewnętrzne elementy (Rezystor/LED) stosowane przez projektanta obwodu.,
2. Beta (wzmocnienie DC) wymienione w arkuszu danych nie ma znaczenia, gdy tranzystor jest używany jako przełącznik (nasycenie/odcięcie). Tylko konstruktorzy wzmacniaczy dbają o różne poziomy prądu kolektora (wzmocnienia) pomiędzy nasyceniem a odcięciem. Innymi słowy, dowolny poziom prądu kolektora pomiędzy dwoma stanami pracy „nasycenia” i „odcięcia” (tj. region aktywny) nie jest ważny dla funkcjonowania obwodu przełącznika tranzystorowego.
3. „nasycenie” w obwodzie przełącznika tranzystorowego osiąga się, gdy napięcie w kolektorze / emiterze (VCE (sat)) jest mniejsze lub równe .,1 do .3 V – w zależności od typu tranzystora. W tym punkcie napięcia tranzystor wydaje się działać jak prosty przełącznik mechaniczny SPST, który został zamknięty (włączony).

Uwaga końcowa

na osobistą uwagę, kiedy układ breadboard używam tylko przez otwór, czerwony, Średnica 5 mm, ultra jasne, przezroczyste diody LED kopuły 640 nm. Próbowałem innych diod LED, ale diody kopułkowe są najlepsze. Są tak jasne, że bolą cię oczy-nie żartuj!

Zamów torbę Diod Led FIRMY Digi-Key, Jameco lub Mouser do następnego projektu — ułatwi to życie., NV

fakty o przełączniku tranzystorowym

1. dowolny poziom prądu kolektora (Ic) pomiędzy dwoma stanami nasycenia i odcięcia nie jest ważny dla konstrukcji lub funkcjonowania przełącznika tranzystorowego-jest ważny tylko dla konstruktorów wzmacniaczy.,
2. przy użyciu tranzystora jako przełącznika (tryb Cyfrowy), DC Beta (hFE) nie ma znaczenia, ponieważ tranzystor nie działa w obszarze aktywnym, w którym pracują wzmacniacze. Przełącznik tranzystorowy jest albo w trybie nasycenia (pełne włączenie), albo w trybie odcięcia (całkowite wyłączenie). Innymi słowy, wzór wzmocnienia IC = Beta X Ib jest nieprawidłowy poza punktem nasycenia.
3. prąd nasycenia(Ic (sat)) przepływający przez przełącznik tranzystorowy nie jest określony przez wewnętrzne parametry elektryczne tranzystora, ale raczej przez zewnętrzne komponenty (Rezystor/LED) stosowane przez projektanta obwodu.,
4. aby wymusić przełącznik tranzystora na głębokie nasycenie, projektant obwodów dodaje współczynnik overdrive do prądu podstawowego.