hur man använder en Transistor som en Switch

ibland förstår hur det enklaste av elektroniska kretsar fungerar kan vara skrämmande och/eller förvirrande för studenten, hobbyist eller nybörjare. Om jag minns rätt (tillbaka på 1700-talet), hälften av människorna i min elektronik klass hoppade av efter den första terminen. Kasta in en kurs på kalkyl och du kommer att bevittna en rasande stampede för utgången dörren. Vem skyller vi på denna urusla avhoppningshastighet-studenter, lärare eller läroplan?, Andrew Carnegie blev en gång frågad ,”Vad är viktigare: arbetskraft, kapital eller hjärnor?”Hans svar var,” Vad är det viktigaste benet på en trebenig pall?”

tyvärr är svaret på skulden frågan utanför ramen för denna artikel. Vad som bör vara viktigt är att presentera ämnet Elektronik på ett sådant sätt som gör det enkelt för någon att lära sig. Med det i åtanke, låt oss ta en titt på en av de enkla och allestädes närvarande kretsarna: transistorbrytaren. Oroa dig inte, det finns inget mer utmanande här än multiplikation, division, addition och subtraktion., Så, låt oss börja!

en TRANSISTOR som en SWITCH

titta på Figur 1. Det visar en typisk general purpose (NPN) transistor/LED-krets. Om du ansluter + 5 volt till Vcc i denna krets och pulserar ingångsplinten (Vin) med +5V, 0V, +5V, etc., lysdioden blinkar på och av i enlighet därmed. Naturligtvis, för att göra denna krets fungerar korrekt, måste du beräkna rätt motstånd värden för RC och RB. Hur gör du det? Fortsätt läsa.

figur 1.,

innan vi börjar bör det noteras att vi kommer att använda transistorn som en enkel omkopplare och inte som förstärkare. Kom ihåg att transistorer kan fungera antingen som en förstärkare eller en strömbrytare. Om du använder en transistor för att förstärka en signal, sägs transistorn vara verksam i den” aktiva ”eller” linjära ” regionen.

utan att gå för djupt in i transistorteorin innebär den aktiva regionen en rad driftspunkter (Google ”transistor karakteristiska kurvor”) där transistorn kommer att förstärka en signal utan förvrängning.,

å andra sidan, när transistorn används som en strömbrytare, fungerar den i vad som kallas ”digital” – läget (PÅ/AV). I detta driftstillstånd förstärker transistorn inte inspänningen (VIN) på något sätt. För att använda en transistor som en switch, allt du behöver göra är att öka strömmen vid basterminalen till en viss nivå, och transistorn kommer att gå in i ett tillstånd som allmänt kallas ”mättnad.,”Detta är ett tillstånd (driftsätt) där oavsett hur mycket ytterligare ström pumpas in i transistorns basterminal, kommer samlarströmmen inte att öka ytterligare.

När en transistor är i mättnadsläge fungerar den precis som en sluten SPST-mekanisk omkopplare (se Figur 2). I sin tur, när transistorn är avstängd (ingen basström), går den till ”cut-off” – läge (helt av). Enkelt uttryckt är transistorn antingen på eller avförstärkning oväsentlig.

figur 2.,

Okej, nu när du vet skillnaden mellan en transistorförstärkare och en omkopplare, låt oss använda transistorn som en omkopplare för att blinka en LED på och av.

kontrollera databladet

det första steget är att Google datablad för både LED och transistorn. Du kommer att märka på LED-databladet en lista för maximal Framström (IF). De flesta av de populära 5 mm Diameter genomgående hål lysdioder har en maximal ström rating någonstans runt 20 mA.

När den maximala LED-bedömningen är etablerad, vad gör vi med den informationen?, Det betyder att vi måste minska maxvärdet på 20 mA till en säker strömnivå så att LED-lampan inte förstörs. En bra utgångspunkt är någonstans mellan 5 och 15 mA-beroende på hur ljus LED du behöver. Låt oss komma överens här för att ställa in den maximala strömmen(IC (MAX)) som strömmar genom vår LED till 15 mA. Nu, gå vidare och använda Ohms lag för att beräkna värdet för samlare motstånd (Rc). Formeln är listad nedan; anta att vi har +5V som vår strömförsörjning (Vcc)och(IC (MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC(MAX) .015

har du beräknat ett värde på 333,33 ohm för RC? Du har rätt!, Okej, stanna där — vi har ett problem! Formeln ovan saknar ett par mycket viktiga elektriska parametrar. Vad som saknas är det faktum att både LED och transistor — när den är påslagen — har ett spänningsfall över sina terminaler och detta måste redovisas i formeln.

en allmän Transistor kommer att sjunka om .1 .3 volt över samlare / sändare terminaler (VCE (sat); se datablad) när i mättnadsläge (helt på)., När en transistor mättar når samlarströmmen en nivå eller platå där någon ytterligare ökning av basströmmen inte kommer att orsaka en ytterligare ökning av samlarströmmen. I” teori ” vid denna tidpunkt bör samlare/emitterspänningsfallet (VCE(sat)) vara noll om transistorn fungerade som en SPST-mekanisk omkopplare.

Kom ihåg att en mekanisk omkopplare inte har något spänningsfall när den vänds till påläget eftersom det inte finns något motstånd mellan kontakterna., Å andra sidan har transistorer en liten mängd motstånd över kollektor – / emitterterminalerna (RCE) när de slås på och därmed ett spänningsfall.

förutom transistorspänningsfallet kommer lysdioden också att falla någonstans mellan 1,2 och 3 volt när den är påslagen (kontrollera databladet under VF). För att beräkna det korrekta värdet för resistor Rc måste spänningsfallet över kollektorn/emittern (VCE(sat)) och spänningsfallet över lysdioden (V(LED)) därför ingå i formeln., Så här är samma Ohms lagformel modifierad för att ta hänsyn till alla spänningsfall:

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

beräkningen visar att vi behöver ett 200 ohm motstånd för Rc för att begränsa strömmen genom LED till en säker 15 mA. Observera, om vi hade använt den grundläggande Ohms lag formel (Rc = VCC / IC(MAX)), RC skulle vara 333,33 ohm. Det verkliga problemet med att använda en 333.,33 ohm motstånd för RC börjar när du faktiskt breadboard kretsen, bara för att ta reda på den ström du förväntade genom lysdioden är inte den nödvändiga 15 mA, men 9,2 mA (en 39% förlust). Därför, om du misslyckas med att lägga till både LED-och transistorspänningsfall i beräkningen, kommer din LED inte att vara så ljus som förväntat.

försök och titta på LED och transistor som små motstånd. I en seriekrets skulle du lägga till alla motståndsvärden tillsammans för att få det totala motståndet, eller hur? Allt vi gör här är att redovisa alla spänningsfall i en seriekrets.,

Figur 3 visar tydligt vad som händer med samlarströmmen (IC (MAX)) när du inte inkluderar alla spänningsfall i formeln.

figur 3.

bas för att styra

frågan är nu hur styr du transistorn så att den slås på och av? Vi måste göra två saker: 1. Hitta rätt transistor basström (IB) som kommer att mätta transistorn. 2. Beräkna motståndsvärdet för basmotståndet RB (se Figur 1)., Formeln för att hitta basströmmen är:

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

Observera här, för att hitta basströmmen (ib) delar vi den maximala samlarströmmen(IC (MAX)) vi vill gå igenom LED-lampan (15 mA) med den minsta Beta som anges på databladet (hFE). Vad är Beta? Beta – även känd som DC strömförstärkning – är ett förhållande som hänför sig till hur mycket strömförstärkning du kan förvänta dig genom en transistors samlarterminal med tanke på en viss mängd ström som går in i basterminalen. Med andra ord styr basströmmen samlarströmmen., Det är som en liten vattenventil som styr vattenflödet genom ett stort rör.

Efter att ha sagt allt detta — och det här är mycket viktigt — Beta (gain) används endast i förstärkardesign. När du använder en transistor som omkopplare (digitalt läge) har Beta liten effekt eller mening eftersom transistorn inte fungerar i den aktiva regionen som förstärkare arbetar i. När en transistorbrytare är i mättnadsläge finns det ingen samlarströmförstärkning utöver mättnad.,

med andra ord, när en transistor switch når mättnadspunkten, förstärkningsformeln IC = Beta X IB inte längre gäller eftersom spänningsfallet över samlare / emitter terminaler (VCE (sat)) har nått sin lägsta mättnadsspänning av .1V. när VCE(sat) når denna spänningsnivå, kan kollektorströmmen inte öka bortom denna punkt — även om basströmmen fortsätter att öka.

Kom ihåg att en transistor som arbetar i digitalt läge (på/av) antingen är i mättnadsläge (helt påslagen) eller i avstängt läge (helt avstängd)., Därför är någon nivå av kollektorström (Ic) mellan de två tillstånden av mättnad och avstängning inte viktig för funktionen av en transistorbrytare-det är bara viktigt att förstärkare designers.

Okej, så vilket värde använder vi för Beta i formeln för att hitta basströmmen (ib)? Tja, standard tumregeln anger att du ska använda den minsta Beta (HFE) som anges på databladet. Tyvärr kommer den minsta Beta som anges på databladet bara att placera transistorn vid mättnadens kant (EOS)., Eftersom transistorer är känsliga för temperaturförändringar kan en temperaturförändring tvinga transistorn att flytta från EOS till det ”aktiva” området (förstärkare).

För att eliminera denna möjlighet använder vi därför vad som kallas ”Overdrive Factor” (ODF). Detta är ett godtyckligt tal mellan 2 och 10 som används för att försäkra att transistorn drivs hårt till mättnad (helt påslagen) — och där temperaturförändringar misslyckas med att släppa transistorn ur mättnad. Därför är ib lika med:

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
observera, i formeln ovan, genom att använda en ODF av 10 ökar vi basströmmen från 150 µA till 1,5 mA, vilket säkerställer att transistorn tvingas in i djup mättnad. Till exempel, om ett datablad listade En Beta(min) av 75, och du behövde en samlarström (IC(MAX)) av 25 mA, skulle ib vara .333 mA (.000333A). Tyvärr skulle 333 µA bara sätta transistorn på EOS. Genom att använda en ODF av 10 ökar vi basströmmen (ib) till 3.3 mA — långt bortom EOS och till djup mättnad.,

nu när vi har etablerat en basström (ib) på 1,5 mA krävs för att mätta vår transistor, låt oss beräkna motståndsvärdet som behövs för basmotståndet RB. Återigen använder vi Ohms lag för att beräkna för RB:

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

notera i formeln ovan, att VBE (sat) är den erforderliga basspänningen som måste finnas för att framåt-förspänning transistorns bas/emitter korsning (dvs att vrida transistorn på). Generellt sett är detta värde mellan .6 .7 volt för en allmän Transistor., Kontrollera alltid VBE (sat) som anges på databladet för att verifiera.

Figur 4 visar den färdiga LED-kretsen med alla komponenter och elektriska parametrar tydligt markerade (Ohms lag användes också för att beräkna motståndet för R(LED) och R(CE)).

figur 4.

Vi har nu rätt motstånd värden för att driva LED och transistor krets på ett säkert sätt: Rc = 200 ohm; och RB = 2933.33 ohm.

Jag är säker på att du har märkt att vår 2.,933k motstånd är inte en standardstorlek som du faktiskt kan köpa var som helst. Tumregeln anger i detta fall att du kan använda nästa standardmotståndsvärde under 2.933 K (2.7 K till 2.87 K). Varför?

det lägre motståndet bidrar bara till att minska transistorns chans att falla ur mättnadsläget under temperatur-och strömförsörjningsvariationer genom att öka basströmmen (dvs transistorn går ännu djupare in i mättnad).

RECAP

låt oss granska alla steg som krävs för att använda en transistor som en switch:

1. ladda ner datablad för LED och transistor.,
2. Bestäm den maxström (IC (MAX)) som du vill gå igenom LED och transistor, och kontrollera att den inte överstiger den maximala strömklassificeringen för LED (IF) eller transistorn (Ic); se databladet.
3. beräkna värdet för resistor Rc. Se till att inkludera spänningsfall för LED (V (LED)) och transistorn(VCE (sat)) i Ohms lag formel.
4. beräkna transistorns basström IB med en ODF på 10.
5. beräkna motståndsvärdet för basmotståndet RB.

det är det. Ganska lätt-ja, kanske inte.,

viktiga punkter

1. kretsdesignern (du) bestämmer vad den korrekta transistorkollektorströmmen(IC (sat)) ska vara genom att titta på LED/transistor-datablad och verifiera att strömmen som går igenom transistor/LED-kretsen ligger under de maximala betygen för båda enheterna. Med andra ord bestäms inte mättnadsströmmen (IC(sat)) som strömmar genom en transistorbrytare av transistorns interna elektriska parametrar, utan snarare av de externa komponenterna (motstånd/LED) som används av kretsdesignern.,
2. Beta (DC gain) som anges i databladet har ingen betydelse när en transistor används som en switch (mättnad / cut-off). Endast förstärkare designers bryr sig om de olika nivåerna av samlare ström (vinst) mellan mättnad och cut-off. Med andra ord, någon nivå av samlare ström mellan de två driftstillstånd ”mättnad” och ”cut-off” (dvs aktiv region) är inte viktigt för driften av en transistor switch krets.
3. ”mättnad” i en transistorbrytarkrets uppnås när spänningen över kollektorn/ emittern (VCE(sat)) är mindre än eller lika med .,1 .3 volt-beroende på typ av transistor. Vid denna spänningspunkt verkar transistorn fungera som en enkel SPST-mekanisk omkopplare som har stängts (på).

slutnot

personligen, när jag breadboard en krets jag använder endast genomgående hål, röd, 5 mm diameter, ultra-ljus, vatten-klar kupol 640 nm lysdioder. Jag har provat andra lysdioder, men de vattenklara kupolen lysdioder är bäst. De är så ljusa, de skadar dina ögon-skojar inte!

Beställ en påse med lysdioder från Digi-Key, Jameco eller Mouser för ditt nästa projekt — det gör livet enklare., NV

fakta om Transistorbrytaren

1. någon nivå av samlarström (Ic) mellan de två tillstånden av mättnad och avstängning är inte viktigt för utformningen eller funktionen av en transistorbrytare-det är bara viktigt att förstärkare designers.,
2. när du använder en transistor som en omkopplare (digitalt läge) har DC Beta (hFE) ingen betydelse eftersom transistorn inte arbetar i den aktiva regionen som förstärkare arbetar i. En transistorbrytare är antingen i mättnadsläge (helt på) eller avstängt läge (helt av). Med andra ord är förstärkningsformeln Ic = Beta X ib ogiltig utöver mättnadspunkten.
3. mättnadsströmmen (Ic (sat)) som strömmar genom en transistorbrytare bestäms inte av transistorns interna elektriska parametrar, utan snarare av de externa komponenterna (motstånd/LED) som används av kretsdesignern.,
4. för att tvinga en transistoromkopplare till djup mättnad lägger kretsdesignern en överväxelfaktor till basströmmen.