Verwendung eines Transistors als Schalter

Manchmal kann es für Schüler, Hobbyisten oder Anfänger einschüchternd und/oder verwirrend sein, zu verstehen, wie die einfachsten elektronischen Schaltungen funktionieren. Jahrhundert), brach die Hälfte der Leute in meiner Elektronikklasse nach dem ersten Semester ab. Werfen Sie einen Kurs über Kalkül ein und Sie werden Zeuge eines wütenden Ansturms auf die Ausgangstür. Wen machen wir für diese miserable Abbrecherquote verantwortlich-Schüler, Lehrer oder Lehrplan?, Andrew Carnegie wurde einmal gefragt: „Was ist wichtiger: Arbeit, Kapital, oder Köpfe?“Seine Antwort war:“ Was ist das wichtigste Bein auf einem dreibeinigen Hocker?“

Leider geht die Antwort auf die Schuldfrage über den Rahmen dieses Artikels hinaus. Was wichtig sein sollte, ist das Thema Elektronik so zu präsentieren, dass es jedem leicht fällt zu lernen. Schauen wir uns in diesem Sinne eine dieser einfachen und allgegenwärtigen Schaltungen an: den Transistorschalter. Keine Sorge, hier gibt es nichts Herausfordernderes als Multiplikation, Division, Addition und Subtraktion., Also, fangen wir an!

Ein TRANSISTOR ALS SCHALTER

Siehe Abbildung 1. Es zeigt eine typische Allzweck-(NPN -) transistor/LED-Schaltung. Wenn Sie in dieser Schaltung +5 Volt an Vcc anschließen und die Eingangsklemme (Vin) mit +5V, 0V, +5V usw., die LED blinkt entsprechend ein und aus. Damit diese Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, müssen Sie natürlich die richtigen Widerstandswerte für RC und RB berechnen. Wie geht das? Nun, Lesen Sie weiter.

ABBILDUNG 1.,

Bevor wir anfangen, sollte beachtet werden, dass wir den Transistor als einfachen Schalter und nicht als Verstärker verwenden werden. Denken Sie daran, Transistoren können entweder als Verstärker oder als Schalter arbeiten. Wenn Sie einen Transistor verwenden, um ein Signal zu verstärken, soll der Transistor im „aktiven“ oder „linearen“ Bereich arbeiten.

Ohne zu tief in die Transistortheorie einzugehen, umfasst der aktive Bereich einen Bereich von Betriebspunkten (die „Transistorkennlinien“), an denen der Transistor ein Signal ohne Verzerrung verstärkt.,

Wenn der Transistor hingegen als Schalter verwendet wird, arbeitet er im sogenannten „digitalen“ Modus (Ein/aus). In diesem Betriebszustand „verstärkt“ der Transistor die Eingangsspannung (VIN) in keiner Weise. Um einen Transistor als Schalter zu verwenden, müssen Sie lediglich den Strom an der Basisklemme auf ein bestimmtes Niveau erhöhen, und der Transistor geht in einen Zustand über, der allgemein als „Sättigung“ bekannt ist.,“Dies ist ein Zustand (Betriebsart), in dem unabhängig davon, wie viel zusätzlicher Strom in den Basisklemmen des Transistors gepumpt wird, der Kollektorstrom nicht weiter ansteigt.

Sobald sich ein Transistor im Sättigungsmodus befindet, wirkt er wie ein geschlossener mechanischer SPST-Schalter (siehe Abbildung 2). Wenn der Transistor ausgeschaltet ist (kein Basisstrom), wechselt er wiederum in den „Cut-Off“ – Modus (vollständig ausgeschaltet). Einfach ausgedrückt, der Transistor ist entweder ein – oder ausgeschaltet — die Verstärkung ist unerheblich.

ABBILDUNG 2.,

Okay, jetzt, da Sie den Unterschied zwischen einem Transistorverstärker und einem Schalter kennen, verwenden wir den Transistor als Schalter, um eine LED ein-und auszuschalten.

ÜBERPRÜFEN SIE DAS DATENBLATT

Der erste Schritt besteht darin, die Datenblätter sowohl für die LED als auch für den Transistor zu googeln. Sie werden auf dem LED-Datenblatt eine Auflistung für den maximalen Vorwärtsstrom (IF) bemerken. Die meisten der beliebten 5 mm Durchmesser Durchgangsloch-LEDs haben eine maximale Stromstärke irgendwo um 20 mA.

Sobald die maximale LED-Bewertung festgelegt ist, was machen wir mit diesen Informationen?, Nun, es bedeutet, dass wir die maximale Bewertung von 20 mA auf einen sicheren Strompegel reduzieren müssen, damit die LED nicht zerstört wird. Ein guter Ausgangspunkt liegt irgendwo zwischen 5 und 15 mA-je nachdem, wie hell eine LED ist. Lassen Sie uns hier zustimmen, um den maximalen Strom (IC(MAX)), der durch unsere LED fließt, auf 15 mA einzustellen. Verwenden Sie nun das Ohmsche Gesetz, um den Wert für den Kollektorwiderstand (Rc) zu berechnen. Die Formel ist unten aufgeführt; Angenommen, wir haben +5V als Stromversorgung (Vcc) und(IC (MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC(MAX) .015

Haben Sie einen Wert von 333,33 Ohm für RC berechnet? Sie haben Recht!, Okay, hör genau dort auf — wir haben ein Problem! In der obigen Formel fehlen einige sehr wichtige elektrische Parameter. Was fehlt, ist die Tatsache, dass sowohl die LED als auch der Transistor — wenn sie eingeschaltet sind — einen Spannungsabfall über ihre Klemmen haben und dies in der Formel berücksichtigt werden muss.

Ein Allzwecktransistor fällt um .1 .3 volt über die Kollektor – /Emitterklemmen (VCE (sat); siehe Datenblatt) im Sättigungsmodus (voll eingeschaltet)., Sobald ein Transistor gesättigt ist, erreicht der Kollektorstrom einen Pegel oder ein Plateau, bei dem eine zusätzliche Erhöhung des Basisstroms keinen weiteren Anstieg des Kollektorstroms verursacht. In der „Theorie“ sollte an dieser Stelle der Kollektor/Emitter-Spannungsabfall (VCE(sat)) Null sein, wenn der Transistor wie ein SPST-mechanischer Schalter funktionierte.

Denken Sie daran, dass ein mechanischer Schalter keinen Spannungsabfall aufweist, wenn er in den Ein-Zustand gedreht wird, da zwischen den Kontakten kein Widerstand besteht., Andererseits weisen Transistoren beim Einschalten einen geringen Widerstand über die Kollektor – /Emitterklemmen (RCE) und damit einen Spannungsabfall auf.

Zusätzlich zum Transistorspannungsabfall fällt die LED beim Einschalten auch irgendwo zwischen 1,2 und 3 Volt ab (siehe Datenblatt unter VF). Um den korrekten Wert für den Widerstand Rc zu berechnen, müssen daher der Spannungsabfall über den Kollektor/Emitter (VCE(sat)) und der Spannungsabfall über die LED (V(LED)) in die Formel aufgenommen werden., Also, hier ist die gleiche ohmsche Gesetz Formel geändert, um ein Konto für die gesamte Spannungsabfall:

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

Die Berechnung zeigt, dass wir für Rc einen 200 Ohm Widerstand benötigen, um den Strom durch die LED auf sichere 15 mA zu begrenzen. Beachten Sie, wenn wir die grundlegende Ohmsche Gesetzformel verwendet hätten (Rc = Vcc / IC (MAX)), wäre RC 333,33 Ohm. Das eigentliche Problem bei der Verwendung eines 333.,33 ohm widerstand für RC beginnt, wenn sie tatsächlich breadboard die schaltung, nur um herauszufinden, die strom sie erwartet durch die LED ist nicht die erforderlich 15 mA, aber 9.2 mA (eine 39% verlust). Daher, wenn sie nicht hinzufügen sowohl die LED und transistor spannung tropfen in die berechnung, ihre LED wird nicht so hell wie erwartet.

Versuchen Sie, die LED und den Transistor als kleine Widerstände zu betrachten. In einer Serienschaltung würden Sie alle Widerstandswerte addieren, um den Gesamtwiderstand zu erhalten, oder? Nun, alles, was wir hier tun, ist, alle Spannungsabfälle in einer Serienschaltung zu berücksichtigen.,

Abbildung 3 zeigt deutlich, was mit dem Kollektorstrom (IC(MAX)) passiert, wenn Sie nicht alle Spannungsabfälle in die Formel aufnehmen.

ABBILDUNG 3.

BASIS ZUR STEUERUNG

Die Frage ist nun, wie steuern Sie den Transistor, damit er sich ein-und ausschaltet? Nun, wir müssen zwei Dinge tun: 1. Finden Sie den richtigen Transistor-Basisstrom (IB), der den Transistor sättigt. 2. Berechnen Sie den Widerstandswert für den Basiswiderstand RB (siehe Abbildung 1)., Die Formel zum Finden des Basisstroms lautet:

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

Hinweis Um den Basisstrom (IB) zu finden, teilen wir hier den maximalen Kollektorstrom(IC (MAX)) Wir möchten die LED (15 mA) durch das im Datenblatt angegebene Minimum Beta (hFE) durchlaufen. Was ist eine Beta-Version? Beta-auch als Gleichstromverstärkung bezeichnet-ist ein Verhältnis, das sich darauf bezieht, wie viel Stromverstärkung Sie durch den Kollektoranschluss eines Transistors erwarten können, wenn eine bestimmte Strommenge in den Basisklemmen fließt. Mit anderen Worten, der Basisstrom steuert den Kollektorstrom., Es ist wie ein kleines Wasserventil, das den Wasserfluss durch ein großes Rohr steuert.

Nachdem ich all das gesagt habe — und das ist sehr wichtig—, wird Beta (Gain) nur im Verstärkerdesign verwendet. Wenn Sie einen Transistor als Schalter verwenden (digitaler Modus), hat Beta wenig Wirkung oder Bedeutung, da der Transistor nicht in dem aktiven Bereich arbeitet, in dem Verstärker arbeiten. Sobald sich ein Transistorschalter im Sättigungsmodus befindet, gibt es keine Kollektorstromverstärkung über die Sättigung hinaus.,

Mit anderen Worten, sobald ein Transistorschalter den Sättigungspunkt erreicht hat, gilt die Verstärkungsformel IC = Beta x IB nicht mehr, da der Spannungsabfall über die Kollektor – / Emitterklemmen(VCE (sat)) seine niedrigste Sättigungsspannung von erreicht hat .1V.Wenn VCE(sat) diesen Spannungspegel erreicht, kann der Kollektorstrom nicht über diesen Punkt hinaus ansteigen — auch wenn der Basisstrom weiter ansteigt.

Denken Sie daran, ein Transistor, der im digitalen Modus (Ein/aus) arbeitet, befindet sich entweder im Sättigungsmodus (vollständig eingeschaltet) oder im Cut-Off-Modus (vollständig ausgeschaltet)., Daher ist ein beliebiger Kollektorstrom (Ic) zwischen den beiden Sättigungs-und Abschaltzuständen für die Funktion eines Transistorschalters nicht wichtig — dies ist nur für Verstärkerdesigner wichtig.

Okay, welchen Wert verwenden wir für Beta in der Formel, um den Basisstrom (IB) zu finden? Nun, die Standard-Faustregel besagt, dass Sie die Minimum Beta (hFE) auf dem Datenblatt aufgeführt verwenden sollten. Leider platziert der im Datenblatt angegebene Mindestwert Beta den Transistor nur am Sättigungsrand (EOS)., Da Transistoren empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren, könnte eine Temperaturänderung den Transistor zwingen, sich vom EOS in den „aktiven“ Bereich (Verstärkerbereich) zu bewegen.

Um diese Möglichkeit auszuschließen, verwenden wir daher einen sogenannten „Overdrive Factor“ (ODF). Dies ist eine beliebige Zahl zwischen 2 und 10, die verwendet wird, um sicherzustellen, dass der Transistor hart in die Sättigung getrieben wird (vollständig eingeschaltet) — und wo Temperaturänderungen den Transistor nicht aus der Sättigung fallen lassen. Daher, IB entspricht:

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
Beachten Sie, dass in der obigen Formel durch Verwendung eines ODF von 10 der Grundstrom von 150 µA auf 1,5 mA erhöht wird, wodurch sichergestellt wird, dass der Transistor in eine tiefe Sättigung gezwungen wird. Wenn beispielsweise in einem Datenblatt ein Beta(min) von 75 angegeben ist und Sie einen Kollektorstrom (IC(MAX)) von 25 mA benötigen, wäre IB der Fall .333 mA (.000333A). Leider würde 333 µA nur den Transistor an die EOS setzen. Durch die Verwendung eines ODF von 10 erhöhen wir den Basisstrom (IB) auf 3,3 mA — weit über die EOS hinaus und in tiefe Sättigung.,

Nachdem wir nun einen Basisstrom (IB) von 1,5 mA zur Sättigung unseres Transistors festgelegt haben, berechnen wir den Widerstandswert, der für den Basiswiderstand RB benötigt wird. Noch einmal verwenden wir das Ohmsche Gesetz, um für RB zu berechnen:

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

Beachten Sie in der obigen Formel, dass VBE(sat) die erforderliche Basisspannung ist, die vorhanden sein muss, um den Basis-/Emitterübergang des Transistors durchzuleiten (dh den Transistor einzuschalten). Im Allgemeinen liegt dieser Wert zwischen .6 .7 volt für einen Allzwecktransistor., Überprüfen Sie immer die im Datenblatt aufgeführten VBE(sat), um dies zu überprüfen.

Abbildung 4 zeigt die fertige LED-Schaltung mit allen Komponenten und elektrischen Parametern deutlich markiert (das Ohmsche Gesetz wurde auch zur Berechnung des Widerstands für R(LED) und R(CE) verwendet).

ABBILDUNG 4.

Wir haben jetzt die richtigen Widerstandswerte, um die LED-und Transistorschaltung sicher zu betreiben: Rc = 200 Ohm; und RB = 2933,33 Ohm.

ich bin sicher, Sie haben bemerkt, dass unsere 2.,933K Widerstand ist keine Standardgröße, die Sie tatsächlich überall kaufen können. Die Faustregel besagt in diesem Fall, dass Sie den nächsten Standardwiderstandswert unter 2.933 K (2.7 K bis 2.87 K) verwenden können. Warum?

Der niedrigere Widerstand verringert nur die Wahrscheinlichkeit, dass der Transistor während Temperatur-und Stromversorgungsschwankungen aus dem Sättigungsmodus fällt, indem er den Grundstrom erhöht (d. H. Der Transistor geht noch tiefer in die Sättigung).

REKAPITULIEREN

Lassen Sie uns alle Schritte überprüfen, die erforderlich sind, um einen Transistor als Schalter zu verwenden:

1. Laden Sie die Datenblätter für die LED und den Transistor herunter.,
2. Bestimmen Sie den maximalen Strom (IC (MAX)), den Sie durch die LED und den Transistor gehen möchten, und stellen Sie sicher, dass er die maximale Strombelastung der LED (IF) oder des Transistors (Ic) nicht überschreitet; siehe Datenblatt.
3. Berechnen Sie den Wert für den Widerstand Rc. Stellen Sie sicher, dass Sie die Spannungsabfälle für die LED (V(LED)) und den Transistor (VCE(sat)) in die ohmsche Gesetzformel aufnehmen.
4. Berechnen Sie den Basisstrom IB des Transistors mit einem ODF von 10.
5. Berechnen Sie den Widerstandswert für den Basiswiderstand RB.

Das war ‚ s. Irgendwie einfach-na ja, vielleicht nicht.,

WICHTIGE PUNKTE

1. Der Schaltungsdesigner (Sie) bestimmt den korrekten Transistorkollektorstrom(IC (sat)), indem er sich die LED/Transistor-Datenblätter ansieht und überprüft, ob der Strom, der durch die Transistor/LED-Schaltung fließt, unter den Maximalwerten für beide Geräte liegt. Mit anderen Worten, der Sättigungsstrom (IC(sat)), der durch einen Transistorschalter fließt, wird nicht durch die internen elektrischen Parameter des Transistors bestimmt, sondern durch die externen Komponenten (Widerstand/LED), die vom Schaltungsdesigner verwendet werden.,
2. Beta (DC gain), wie im Datenblatt aufgeführt, hat keine Bedeutung, wenn ein Transistor als Schalter verwendet wird (Sättigung/Cut-off). Nur Verstärkerdesigner kümmern sich um die verschiedenen Pegel des Kollektorstroms (Verstärkung) zwischen Sättigung und Abschaltung. Mit anderen Worten, ein beliebiger Kollektorstrompegel zwischen den beiden Betriebszuständen „Sättigung“ und „Abschaltung“ (d. H. Aktiver Bereich) ist für die Funktion einer Transistorschaltschaltung nicht wichtig.
3. „Sättigung“ in einer Transistorschaltschaltung wird erreicht, wenn die Spannung über den Kollektor/ Emitter (VCE(sat)) kleiner oder gleich ist .,1 .3 Volt, abhängig von der Art des transistor. An diesem Spannungspunkt scheint der Transistor wie ein einfacher mechanischer SPST-Schalter zu wirken, der geschlossen wurde (Ein).

SCHLUSSNOTE

Wenn ich persönlich eine Schaltung breadboard verwende, verwende ich nur Durchgangsloch-LEDs mit rotem Durchmesser von 5 mm, ultrahelle, wasserklare 640-nm-LEDs. Ich habe andere LEDs ausprobiert, aber die wasserklaren Dome-LEDs sind die besten. Sie sind so hell, sie verletzen deine Augen-kein Scherz!

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Fakten über den Transistorschalter

1. Jede Stufe des Kollektorstroms (Ic) zwischen den beiden Sättigungs-und Abschaltzuständen ist für das Design oder die Funktion eines Transistorschalters nicht wichtig — es ist nur für Verstärkerdesigner wichtig.,
2. Bei Verwendung eines Transistors als Schalter (Digitalmodus) hat DC Beta (hFE) keine Bedeutung, da der Transistor nicht in dem aktiven Bereich arbeitet, in dem Verstärker arbeiten. Ein Transistorschalter befindet sich entweder im Sättigungsmodus (vollständig ein) oder im Cut-Off-Modus (vollständig aus). Mit anderen Worten, die Verstärkungsformel Ic = Beta x Ib ist über den Sättigungspunkt hinaus ungültig.
3. Der Sättigungsstrom (Ic (sat)), der durch einen Transistorschalter fließt, wird nicht durch die internen elektrischen Parameter des Transistors bestimmt, sondern durch die externen Komponenten (Widerstand/LED), die vom Schaltungsdesigner verwendet werden.,
4. Um einen Transistorschalter in eine tiefe Sättigung zu zwingen, fügt der Schaltungsdesigner dem Basisstrom einen Overdrive-Faktor hinzu.