cum se utilizează un tranzistor ca comutator

uneori înțelegerea modului în care funcționează cele mai simple circuite electronice poate fi intimidantă și/sau confuză pentru student, hobbyist sau novice. Dacă îmi amintesc corect (înapoi în secolul al XVII-lea), jumătate dintre oamenii din clasa mea de electronică au renunțat după primul semestru. Arunca într-un curs de calcul și veți asista la o busculadă furios pentru ușa de ieșire. Pe cine învinovățim pentru această rată abisală de abandon școlar — studenți, profesori sau curriculum?, Andrew Carnegie a fost întrebat odată: „ce este mai important: muncă, capital sau creier?”Răspunsul lui a fost:” care este cel mai important picior pe un scaun cu trei picioare?din păcate, răspunsul la întrebarea de vină este dincolo de domeniul de aplicare al acestui articol. Ceea ce ar trebui să fie important este prezentarea subiectului electronicii în așa fel încât să fie ușor pentru oricine să învețe. Având în vedere acest lucru, să aruncăm o privire la unul dintre acele circuite simple și omniprezente: comutatorul tranzistorului. Nu vă faceți griji, nu este nimic mai dificil aici decât înmulțirea, împărțirea, adunarea și scăderea., Deci, să începem!

un tranzistor ca comutator

Uită-te la figura 1. Acesta arată un circuit tranzistor/LED tipic de uz general (NPN). Dacă conectați + 5 volți la Vcc în acest circuit și impulsionați terminalul de intrare (Vin) cu +5V, 0V, +5V etc., LED-ul va clipi și se va opri în consecință. Desigur, pentru ca acest circuit să funcționeze corect, trebuie să calculați valorile corecte ale rezistorului pentru RC și RB. Cum faci asta? Continuă să citești.

FIGURA 1.,înainte de a începe ,trebuie remarcat faptul că vom folosi tranzistorul ca un comutator simplu și nu ca un amplificator. Nu uitați, tranzistoarele pot funcționa fie ca amplificator, fie ca comutator. Dacă utilizați un tranzistor pentru a amplifica un semnal, se spune că tranzistorul funcționează în regiunea” activă „sau” liniară”.fără a intra prea adânc în teoria tranzistorului, regiunea activă implică o serie de puncte de operare (Google „curbe caracteristice tranzistorului”) la care tranzistorul va amplifica un semnal fără distorsiuni.,pe de altă parte, atunci când tranzistorul este utilizat ca comutator, acesta funcționează în ceea ce se numește modul „digital” (pornit/oprit). În această stare de funcționare, tranzistorul nu „amplifică” tensiunea de intrare (VIN) în nici un fel. Pentru a utiliza un tranzistor ca comutator, tot ce trebuie să faceți este să creșteți curentul la terminalul de bază la un anumit nivel, iar tranzistorul va intra într-o stare cunoscută în mod obișnuit sub numele de „saturație.,”Aceasta este o stare (modul de funcționare) în care, indiferent cât de mult curent suplimentar este pompat în borna de bază a tranzistorului, curentul colectorului nu va mai crește.

odată ce un tranzistor este în modul de saturație, acesta acționează la fel ca un comutator mecanic SPST închis (vezi Figura 2). La rândul său, atunci când tranzistorul este oprit (fără curent de bază), acesta trece în modul „cut-off” (complet oprit). Pur și simplu, tranzistorul este pornit sau oprit — amplificarea este imaterială.

FIGURA 2.,

bine, acum că știți diferența dintre un amplificator de tranzistor și un comutator, să folosim tranzistorul ca comutator pentru a aprinde și opri un LED.

verificați fișa tehnică

primul pas este să Google fișele tehnice atât pentru LED cât și pentru tranzistor. Veți observa pe foaia de date LED o listă pentru curentul maxim înainte (dacă). Cele mai populare 5 mm diametru prin gaura LED-uri au un rating maxim de curent undeva în jurul valorii de 20 mA.

odată ce ratingul maxim al LED-urilor este stabilit, ce facem cu aceste informații?, Ei bine, înseamnă că trebuie să reducem ratingul maxim de 20 mA la un nivel de curent sigur, astfel încât LED-ul să nu fie distrus. Un bun punct de plecare este undeva între 5 și 15 mA — în funcție de cât de luminos este un LED de care aveți nevoie. Să fim de acord aici pentru a seta curentul maxim (IC(MAX)) care curge prin LED-ul nostru la 15 mA. Acum, mergeți mai departe și folosiți Legea lui Ohm pentru a calcula valoarea rezistorului colector (Rc). Formula este listată mai jos; presupunem că avem +5V ca sursă de alimentare (Vcc) și (IC(MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC (MAX).015

ați calculat o valoare de 333.33 ohmi pentru RC? Ai dreptate!, Bine, oprește — te acolo-avem o problemă! Formula de mai sus lipsește câțiva parametri electrici foarte importanți. Ceea ce lipsește este faptul că atât LED — ul, cât și tranzistorul — atunci când sunt pornite-au o cădere de tensiune pe terminalele lor și acest lucru trebuie să fie contabilizat în formulă.un tranzistor de uz general va scădea .1 la .3 volți peste bornele colectorului / emițătorului (vce (sat); vezi fișa tehnică) când este în modul de saturație (complet pornit)., Odată ce un tranzistor se saturează, curentul colectorului atinge un nivel sau un platou în care orice creștere suplimentară a curentului de bază nu va determina o creștere suplimentară a curentului colectorului. În „teorie”, în acest moment căderea de tensiune a colectorului/emițătorului (vce(sat)) ar trebui să fie zero dacă tranzistorul funcționa ca un comutator mecanic SPST.amintiți-vă, un comutator mecanic nu are nici o cădere de tensiune atunci când oglindită la starea on, deoarece nu există nici o rezistență între contacte., Pe de altă parte, tranzistoarele au o cantitate mică de rezistență la bornele colectorului/emițătorului (RCE) atunci când sunt pornite și, prin urmare, o cădere de tensiune. în plus față de căderea de tensiune a tranzistorului, LED-ul va scădea, de asemenea, undeva între 1,2 și 3 volți atunci când este pornit (verificați fișa tehnică sub VF). Prin urmare, pentru a calcula valoarea corectă pentru rezistența Rc, căderea de tensiune pe colector/emițător (vce(sat)) și căderea de tensiune pe LED (V(LED)) trebuie incluse în formulă., Deci, iată aceeași formulă de lege a lui Ohm modificată pentru a ține cont de toate căderile de tensiune:

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)

Rc = Vcc – V(LED) – vce(sat)
IC(MAX)
Rc = 5 – 1.9 – .1
.015
Rc = 200 ohmi

calculul arată că avem nevoie de un rezistor de 200 ohmi pentru Rc pentru a limita curentul prin LED la o siguranță de 15 mA. Observați, dacă am fi folosit formula legii de bază a lui Ohm (Rc = Vcc / IC(MAX)), RC ar fi 333.33 ohmi. Problema reală cu utilizarea unui 333.,33 Ohm rezistor pentru RC începe atunci când de fapt breadboard circuitul, doar pentru a afla curentul pe care îl așteptați prin LED-ul nu este necesar 15 mA, dar 9.2 mA (o pierdere de 39%). Prin urmare, dacă nu reușiți să adăugați atât LED-ul, cât și tranzistorul căderi de tensiune în calcul, LED-ul dvs. nu va fi la fel de luminos cum era de așteptat.încercați să priviți LED-ul și tranzistorul ca rezistențe mici. Într-un circuit de serie, ați adăuga toate valorile rezistorului împreună pentru a obține rezistența totală, nu? Ei bine, tot ce facem aici este de contabilitate pentru toate căderile de tensiune într-un circuit de serie.,figura 3 arată clar ce se întâmplă cu curentul colectorului (IC (MAX)) atunci când nu includeți toate căderile de tensiune în formulă.

FIGURA 3.

baza de CONTROL

întrebarea este acum Cum controlați tranzistorul astfel încât acesta să pornească și să se oprească? Ei bine, trebuie să facem două lucruri: 1. Găsiți curentul de bază al tranzistorului corect (IB) care va satura tranzistorul. 2. Calculați valoarea rezistenței pentru rezistența de bază RB (a se vedea Figura 1)., O formulă pentru a găsi curentul de bază este:

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

Observați aici, în scopul de a găsi curent de bază (IB), vom împărți maximă curent de colector (IC(MAX)) vrem să mergem prin LED-uri (15 mA) de minim Beta listate pe datasheet (hFE). Ce este Beta? Beta-cunoscut și sub denumirea de câștig de curent continuu — este un raport referitor la cât de mult câștig curent vă puteți aștepta prin terminalul colector al unui tranzistor, având în vedere o anumită cantitate de curent care intră în terminalul de bază. Cu alte cuvinte, curentul de bază controlează curentul colectorului., Este un fel de o supapă de apă mică care controlează fluxul de apă care trece printr-o conductă mare.acestea fiind spuse toate acestea — și acest lucru este foarte important — Beta (gain) este utilizat numai în proiectarea amplificatorului. Când utilizați un tranzistor ca comutator (mod digital), Beta are un efect sau o semnificație redusă, deoarece tranzistorul nu funcționează în regiunea activă în care funcționează amplificatoarele. Odată ce un comutator tranzistor este în modul de saturație, nu există nici un câștig de curent colector dincolo de saturație.,cu alte cuvinte, odată ce un comutator tranzistor atinge punctul de saturație, formula de câștig IC = Beta X IB nu se mai aplică deoarece căderea de tensiune pe terminalele colectorului/emițătorului (vce(sat)) a atins cea mai mică tensiune de saturație a acestuia .1V. când vce (sat) atinge acest nivel de tensiune, curentul colectorului nu poate crește dincolo de acest punct — chiar dacă curentul de bază continuă să crească.

rețineți că un tranzistor care funcționează în modul digital (pornit/oprit) este fie în modul de saturație (pornit complet), fie în modul de întrerupere (oprit complet)., Prin urmare, orice nivel de curent colector (Ic) între cele două stări de saturație și cut-off nu este important pentru funcționarea unui comutator tranzistor — este important doar pentru proiectanții amplificatorului.

bine, deci ce valoare folosim pentru Beta în formula pentru a găsi curentul de bază (IB)? Ei bine, regula standard de degetul mare afirmă că ar trebui să utilizați Beta minim (hFE) enumerate pe fișa tehnică. Din păcate, Beta minimă listată pe fișa tehnică va plasa tranzistorul doar la marginea saturației (EOS)., Deoarece tranzistoarele sunt sensibile la schimbările de temperatură, o schimbare a temperaturii ar putea forța tranzistorul să se deplaseze din EOS în zona „activă” (Regiunea amplificatorului).prin urmare, pentru a elimina această posibilitate, folosim ceea ce este cunoscut sub numele de „factor Overdrive” (ODF). Acesta este un număr arbitrar între 2 și 10, care este utilizat pentru a asigura că tranzistorul este condus greu în saturație (complet pornit) — și unde schimbările de temperatură nu reușesc să scadă tranzistorul din saturație. Prin urmare, IB este egal cu:

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
observați, în formula de mai sus, prin utilizarea unui ODF de 10 mărim curentul de bază de la 150 µA la 1.5 mA, asigurând astfel că tranzistorul este forțat în saturație profundă. De exemplu, în cazul în care o foaie de date enumerate O Beta(min) de 75, și ai nevoie de un curent colector (IC(MAX)) de 25 mA, IB ar fi .333 mA (.000333a). Din păcate, 333 µA ar pune doar tranzistorul la EOS. Folosind un ODF de 10, creștem curentul de bază (IB) la 3,3 mA — mult dincolo de EOS și în saturație profundă.,acum că am stabilit un curent de bază (IB) de 1,5 mA este necesar pentru a satura tranzistorul nostru, să calculăm valoarea rezistenței necesare pentru rezistența de bază RB. Încă o dată, folosim Legea lui Ohm pentru a calcula pentru RB:

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

notă în formula de mai sus, că VBE(sat) este tensiunea de bază necesară care trebuie să fie prezentă pentru a transmite-prejudecată joncțiunea de bază/emițător a tranzistorului (adică pentru a porni tranzistorul). În general vorbind, această valoare este între .6 la .7 volți pentru un tranzistor de uz general., Verificați întotdeauna VBE (sat) listat pe fișa tehnică pentru a verifica.figura 4 prezintă circuitul LED finit cu toate componentele și parametrii electrici marcați clar (Legea lui Ohm a fost folosită și pentru a calcula rezistența pentru R(LED) și R(Ce)).

FIGURA 4.

acum avem valorile corecte ale rezistenței pentru a opera circuitul LED și tranzistor într-o manieră sigură: Rc = 200 ohmi; și RB = 2933.33 ohmi.sunt sigur că ați observat că 2-ul nostru.,933k rezistor nu este o dimensiune standard, puteți achiziționa de fapt oriunde. Regula de degetul mare în acest caz, statele pe care le puteți folosi următorul standard valoarea rezistor de mai jos 2.933 K (2.7 K la 2.87 K). De ce?

rezistența inferioară ajută doar la scăderea șansei tranzistorului de a cădea din modul de saturație în timpul variațiilor de temperatură și alimentare prin creșterea curentului de bază (adică tranzistorul merge și mai adânc în saturație).

recapitulare

să examinăm toți pașii necesari pentru a utiliza un tranzistor ca comutator:

1. descărcați fișele tehnice pentru LED și tranzistor.,
2. determinați curentul maxim (IC (MAX)) pe care doriți să îl parcurgeți prin LED și tranzistor și verificați dacă nu depășește valoarea maximă a curentului LED (IF) sau a tranzistorului (Ic); consultați fișa tehnică.
3. calculați valoarea pentru rezistența Rc. Asigurați-vă că includeți căderile de tensiune pentru LED (V(LED)) și tranzistor (VCE(sat)) în formula Legii lui Ohm.
4. calculați IB-ul curent de bază al tranzistorului folosind un ODF de 10.
5. calculați valoarea rezistenței pentru rezistența de bază RB.

asta este. Un fel de ușor-Ei bine, poate că nu.,

puncte importante

1. proiectantul de circuite (tu) determină care ar trebui să fie curentul corect al colectorului tranzistorului (IC(sat)), analizând fișele tehnice LED/tranzistor și verificând dacă curentul care trece prin circuitul tranzistor / LED este sub valorile maxime pentru ambele dispozitive. Cu alte cuvinte, curentul de saturație(IC (sat)) care curge printr-un comutator tranzistor nu este determinat de parametrii electrici interni ai tranzistorului, ci mai degrabă de componentele externe (rezistor/LED) folosite de proiectantul circuitului.,
2. Beta (DC gain) așa cum sunt enumerate în fișa tehnică nu are nici un sens atunci când un tranzistor este utilizat ca un comutator (saturație/cut-off). Numai proiectanții de amplificatoare au grijă de diferitele niveluri de curent colector (câștig) între saturație și întrerupere. Cu alte cuvinte, orice nivel de curent colector între cele două stări de funcționare de „saturație” și „cut-off” (adică, regiunea activă) nu este important pentru funcționarea unui circuit comutator tranzistor.
3. „saturația” într-un circuit de comutare tranzistor se realizează atunci când tensiunea peste colector/ emițător (VCE(sat)) este mai mică sau egală cu .,1 la .3 volți – în funcție de tipul de tranzistor. În acel punct de tensiune, tranzistorul pare să acționeze ca un simplu comutator mecanic SPST care a fost închis (pornit).

notă finală

pe o notă personală, atunci când am breadboard un circuit folosesc numai prin gaura, roșu, 5 mm diametru, ultra-luminos, Dome apă limpede 640 nm LED-uri. Am încercat alte LED-uri, dar LED-urile dome cu apă curată sunt cele mai bune. Sunt atât de strălucitoare, încât îți rănesc ochii — nu glumesc!

comandați o pungă de LED-uri de la Digi-Key, Jameco sau Mouser pentru următorul proiect — vă face viața mai ușoară., NV

fapte despre comutatorul tranzistor

1. orice nivel de curent colector (Ic) între cele două stări de saturație și cut-off nu este important pentru proiectarea sau funcționarea unui comutator tranzistor — este important doar pentru designeri amplificator.,
2. când se utilizează un tranzistor ca comutator (mod digital), DC Beta (hFE) nu are nici un sens, deoarece tranzistorul nu funcționează în regiunea activă în care funcționează amplificatoarele. Un comutator tranzistor este fie în modul de saturație (complet pornit), fie în modul de întrerupere (complet oprit). Cu alte cuvinte, formula câștigului Ic = Beta X Ib este nevalidă dincolo de punctul de saturație.
3. curentul de saturație(Ic (sat)) care curge printr-un comutator tranzistor nu este determinat de parametrii electrici interni ai tranzistorului, ci mai degrabă de componentele externe (rezistor/LED) folosite de proiectantul circuitului.,
4. pentru a forța un comutator tranzistor în saturație profundă, proiectantul de circuit adaugă un factor overdrive la curentul de bază.