Hlavným zariadením v elektrickej a elektronickej oblasti je regulovaný ventil, ktorý umožňuje slabému signálu regulovať väčšie množstvo prietoku podobne ako tryska, ktorá reguluje prietok vody z čerpadiel, trubíc a ďalších. V jednom období bol týmto regulovaným ventilom, ktorý bol implementovaný v elektrickej oblasti, vákuové trubice. Implementácia a využitie vákuových trubíc boli dobré, ale komplikácia bola veľká a spotreba obrovskej elektrickej energie dodávanej ako teplo znižovala životnosť elektrónky. Ako kompenzáciu za túto otázku predstavoval tranzistor zariadenie, ktoré poskytlo dobré riešenie vyhovujúce požiadavkám celého elektrického a elektronického priemyslu. Toto zariadenie vynašiel „William Shockley“ v roku 1947. Ak si chceme prediskutovať viac, ponorme sa do podrobnej témy poznania toho, čo je tranzistor , implementácia tranzistor ako prepínač a veľa vlastností.

Čo je to tranzistor?

Tranzistor je trojvodičové polovodičové zariadenie ktoré možno použiť na prepínanie aplikácií, zosilňovanie slabých signálov a v množstvách tisícov a miliónov tranzistorov sú vzájomne prepojené a vložené do malého integrovaného obvodu / čipu, ktorý vytvára počítačové pamäte. Tranzistorový spínač, ktorý sa používa na otváranie alebo zatváranie obvodu, čo znamená, že tranzistor sa bežne používa ako spínač v elektronických zariadeniach iba pre nízkonapäťové aplikácie z dôvodu jeho nízkeho napätia. moc spotreba. Tranzistor pracuje ako prepínač, keď je v hraničných a nasýtených oblastiach.

Typy tranzistorov BJT

Tranzistor sa v zásade skladá z dvoch PN prechodov, ktoré sú tvorené sendvičovaním typu N alebo P polovodič materiálu medzi dvojicou opačného typu polovodičových materiálov.

Bipolárny spoj tranzistory sú klasifikované do typov

NPN
PNP

Tranzistor má tri terminály, a to Base, Vysielač a Zberateľ. Emitor je silne dopovaný terminál a emituje elektróny do oblasti základne. Terminál základne je ľahko dotovaný a odovzdáva elektróny vstrekované emitorom do kolektora. Terminál kolektora je čiastočne dotovaný a zhromažďuje elektróny z Bázy.

Tranzistor typu NPN je zloženie dvoch polovodičových materiálov dopovaných typu N medzi polovodičovou vrstvou dopovanou typu P, ako je uvedené vyššie. Podobne sú tranzistory typu PNP zložením dvoch polovodičových materiálov dopovaných typu P medzi polovodičovou vrstvou dotovanou typom N, ako je uvedené vyššie. Fungovanie tranzistora NPN aj PNP je rovnaké, líšia sa však predpätím a polaritou napájacieho zdroja.

Tranzistor ako prepínač

Ak obvod používa BJT tranzistor ako prepínač h, potom je predpätie tranzistora, buď NPN alebo PNP, usporiadané tak, aby fungovalo na obidvoch stranách kriviek charakteristík I-V uvedených nižšie. Tranzistor je možné prevádzkovať v troch režimoch, v aktívnej oblasti, v oblasti nasýtenia a v medznej oblasti. V aktívnej oblasti tranzistor funguje ako zosilňovač. Ako tranzistorový prepínač pracuje v dvoch oblastiach a to sú Región sýtosti (úplne ZAPNUTÝ) a Odrezaný región (úplne vypnuté). The tranzistor ako spínacia schéma zapojenia je

Tranzistor ako prepínač

Tranzistory NPN aj PNP možno prevádzkovať ako spínače. Len málo aplikácií využíva výkonový tranzistor ako spínací nástroj. Počas tejto podmienky nemusí byť požiadavka na použitie iného signálneho tranzistora na riadenie tohto tranzistora.

Prevádzkové režimy tranzistorov

Z vyššie uvedených charakteristík môžeme pozorovať, že ružová tieňovaná oblasť v dolnej časti kriviek predstavuje oblasť cut-off a modrá oblasť vľavo predstavuje oblasť saturácie tranzistora. tieto tranzistorové oblasti sú definované ako

Odrezaný región

Prevádzkové podmienky tranzistora sú nulový vstupný bázový prúd (IB = 0), nulový výstupný kolektorový prúd (Ic = 0) a maximálne kolektorové napätie (VCE), ktoré vedú k veľkej vyčerpanej vrstve a cez zariadenie neprúdi žiadny prúd.

Preto je tranzistor prepnutý na „úplne vypnutý“. Takže môžeme definovať medznú oblasť pri použití bipolárneho tranzistora ako prepínača, obťažovať križovatky tranzistorov NPN sú spätne predpäté, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Režim prerušenia

Potom môžeme definovať „cut-off region“ alebo „OFF mode“, keď použijeme bipolárny tranzistor ako prepínač, obidva križovatky sú spätne predpäté, IC = 0 a VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Charakteristika hraničnej oblasti

Charakteristiky v hraničnej oblasti sú:

Základňa aj vstupné svorky sú uzemnené, čo znamená „0“ v
Úroveň napätia v križovatke báza-emitor je menšia ako 0,7v
Križovatka báza-vysielač je v stave spätného predpätia
Tranzistor tu funguje ako spínač OTVORENÉ
Keď je tranzistor úplne vypnutý, presunie sa do medznej oblasti
Križovatka základňa-kolektor je v stave spätného predpätia
V svorke kolektora nebude prúdiť žiadny prúd, čo znamená Ic = 0
Hodnota napätia na križovatke emitor - kolektor a na výstupných svorkách je „1“

Región sýtosti

V tejto oblasti bude tranzistor predpätý tak, aby sa aplikovalo maximálne množstvo základného prúdu (IB), výsledkom čoho bude maximálny kolektorový prúd (IC = VCC / RL) a potom vznikne minimálne napätie kolektora a emitora (VCE ~ 0) pokles. V tomto stave sa vyčerpaná vrstva stáva čo najmenšou a maximálny prúd pretekajúci tranzistorom. Preto je tranzistor zapnutý „úplne zapnutý“.

Režim sýtosti

Definícia „oblasti nasýtenia“ alebo „režimu ON“, keď sa ako prepínač používa bipolárny tranzistor NPN, obidva križovatky sú predpäté dopredu, IC = maximum a VB> 0,7v. Pre tranzistor PNP musí byť potenciál vysielača kladný vzhľadom na základňu. To je fungovanie tranzistora ako spínača .

Charakteristika regiónu nasýtenia

The charakteristiky nasýtenia sú:

Základňa aj vstupné svorky sú pripojené na Vcc = 5v
Úroveň napätia v križovatke báza-emitor je viac ako 0,7v
Križovatka báza-vysielač je v predpätom stave
Tranzistor tu funguje ako spínač ZATVORENÉ
Keď je tranzistor úplne vypnutý, presunie sa do oblasti nasýtenia
Križovatka základňa-kolektor je v predpätom stave
Prúdový prúd v svorke kolektora je Ic = (Vcc / RL)
Hodnota napätia na križovatke emitor - kolektor a na výstupných svorkách je „0“
Ak je napätie na križovatke kolektor-emitor „0“, znamená to ideálny stav nasýtenia

Okrem toho fungovanie tranzistora ako spínača možno podrobne vysvetliť nižšie:

“ako fungujú elektrické spínače ”

Tranzistor ako prepínač - NPN

V závislosti na použitej hodnote napätia na spodnom okraji tranzistora dochádza k funkcii spínania. Ak je medzi emitorom a okrajmi základne dobré množstvo napätia, ktoré je ~ 0,7 V, potom je tok napätia na kolektore k okraju emitora nulový. Tranzistor v tomto stave teda funguje ako prepínač a prúd, ktorý preteká kolektorom, sa považuje za tranzistorový prúd.

Rovnakým spôsobom, keď na vstupnej svorke nie je napätie, potom tranzistor funguje v medznej oblasti a funguje ako otvorený obvod. Pri tejto spínacej metóde je pripojená záťaž v kontakte so spínacím bodom, kde slúži ako referenčný bod. Takže keď sa tranzistor presunie do stavu „ZAPNUTÉ“, dôjde k prúdeniu prúdu zo zdrojovej svorky k zemi cez záťaž.

Tranzistor NPN ako prepínač

Aby sme si neboli istí touto metódou prepínania, zvážme príklad.

Predpokladajme, že tranzistor má hodnotu základného odporu 50 kOhm, odpor na okraji kolektora je 0,7 kOhm a použité napätie je 5 V, hodnota beta sa považuje za 150. Na okraji základne sa použije signál, ktorý sa pohybuje medzi 0 a 5 V . To zodpovedá tomu, že výstup kolektora sa pozoruje úpravou hodnôt vstupného napätia, ktoré sú 0 a 5V. Zvážte nasledujúci diagram.

Keď sa V_TOTO= 0, potom ja_C.= V_DC/ R_C.

IC = 5 / 0,7

Takže prúd na svorke kolektora je 7,1 mA

Pretože hodnota beta je 150, potom Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 uA

Takže základný prúd je 47,3 µA

Pri vyššie uvedených hodnotách je najvyššia hodnota prúdu na svorke kolektora 7,1 mA, v podmienkach napätia kolektora a emitora je nula a hodnota základného prúdu je 47,3 µA. Ukázalo sa teda, že keď je hodnota prúdu na okraji základne zvýšená nad 47,3 µA, potom sa NPN tranzistor presunie do oblasti nasýtenia.

Predpokladajme, že tranzistor má vstupné napätie 0V. To znamená, že základný prúd je „0“ a keď je uzemnenie križovatky vysielača uzemnené, potom nebude prepojenie vysielača a základne v stave predpätia smerovania. Tranzistor je teda v režime OFF a hodnota napätia na okraji kolektora je 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Predpokladajme, že tranzistor má vstupné napätie 5V. Tu je možné zistiť aktuálnu hodnotu na spodnom okraji pomocou Kirchhoffov princíp napätia .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Keď sa vezme do úvahy kremíkový tranzistor, má Vbe = 0,7V

“digitálny prenos umožňuje vyššie maximálne prenosové rýchlosti v porovnaní s analógovými. ”

Takže Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 uA

Ukázalo sa teda, že keď je hodnota prúdu na okraji základne zvýšená nad 56,8 µA, potom sa tranzistor NPN presunie do oblasti nasýtenia pri vstupnom stave 5 V.

Tranzistor ako prepínač - PNP

Funkcia prepínania pre tranzistory PNP aj NPN je podobná, variuje sa však to, že v tranzistore PNP prúd prúdi zo základnej svorky. Táto spínacia konfigurácia sa používa pre záporné uzemnenie. Tu má základná hrana záporné predpätie v zhode s hranou vysielača. Keď je napätie na svorke základne viac -ve, dôjde k toku základného prúdu. Je jasné, že ak existujú ventily s veľmi minimálnym alebo nízkym napätím, tranzistor je tak skratovaný, ak nie je otvorený alebo inak. vysoká impedancia .

V tomto type zapojenia je záťaž v spojení so spínacím výstupom spolu s referenčným bodom. Keď je PNP tranzistor v stave ZAPNUTÉ, bude prúd prúdiť zo zdroja do záťaže a potom cez tranzistor do zeme.

PNP tranzistor ako prepínač

Rovnako ako pri prepínaní tranzistorov NPN, aj vstup tranzistora PNP je na okraji základne, zatiaľ čo svorka emitora je spojená s pevným napätím a kolektorová svorka je pripojená k zemi cez záťaž. Na nasledujúcom obrázku je vysvetlený obvod.

Tu je základná svorka vždy v negatívnom predpätí v súlade s hranou vysielača a základňou, ktorú pripojil na zápornej strane, a vysielačom na kladnej strane vstupného napätia. To znamená, že napätie na základni k emitoru je záporné a napätie na emitori k kolektoru je kladné. Tranzistorová vodivosť teda bude existovať, keď bude mať napätie emitora pozitívnejšiu úroveň ako napätie základne a kolektora. Napätie na základni by teda malo byť zápornejšie ako napätie na iných svorkách.

Aby sme poznali hodnotu kolektorových a základných prúdov, potrebujeme nasledujúce výrazy.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Jeden

Kde Ub = Ic / β

Aby sme si neboli istí touto metódou prepínania, zvážme príklad.

Predpokladajme, že záťažový obvod potrebuje 120 mA a beta hodnota tranzistora je 120. Potom je aktuálna hodnota, ktorá je potrebná na to, aby bol tranzistor v režime nasýtenia,

Ib = Ic / p

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Takže keď je základný prúd 1 mAmp, potom je tranzistor úplne v stave ZAPNUTÉ. Zatiaľ čo v praktických scenároch je na správne nasýtenie tranzistora potrebných približne 30 - 40 percent väčšieho prúdu. To znamená, že základný prúd, ktorý je potrebný pre zariadenie, je 1,3 mAmps.

Prepínanie činnosti Darlingtonovho tranzistora

V niekoľkých prípadoch je prúdový zisk jednosmerného prúdu v zariadení BJT veľmi minimálny na priame prepínanie záťažového napätia alebo prúdu. Z tohto dôvodu sa využívajú spínacie tranzistory. V tomto stave je zahrnuté malé tranzistorové zariadenie pre ZAPNUTIE a VYPNUTIE spínača a zvýšená hodnota prúdu pre reguláciu výstupného tranzistora.

Na zvýšenie zosilnenia signálu sú dva tranzistory spojené spôsobom „konfigurácie zloženia komplementárneho zosilnenia“. V tejto konfigurácii je zosilňovací faktor výsledkom produktu dvoch tranzistorov.

Darlingtonov tranzistor

Darlingtonove tranzistory sú zvyčajne súčasťou dvoch bipolárnych typov tranzistorov PNP a NPN, kde sú zapojené tak, že hodnota zisku počiatočného tranzistora sa vynásobí hodnotou zisku druhého tranzistorového zariadenia.

Toto vedie k výsledku, keď zariadenie funguje ako jediný tranzistor s maximálnym prúdovým ziskom aj pri minimálnej hodnote základného prúdu. Celý prúdový zisk Darlingtonovho spínacieho zariadenia je súčinom hodnôt prúdového zisku tranzistorov PNP a NPN, čo predstavuje:

β = β1 × β2

S vyššie uvedenými bodmi sú Darlingtonove tranzistory s maximálnymi hodnotami β a kolektorového prúdu potenciálne spojené so spínaním jedného tranzistora.

Napríklad, keď má vstupný tranzistor hodnotu zosilnenia prúdu 100 a druhý má hodnotu zosilnenia 50, potom je celkový prúdový zisk

β = 100 × 50 = 5 000

Takže keď je záťažový prúd 200 mA, potom je aktuálna hodnota v Darlingtonovom tranzistore na základnej svorke 200 mA / 5000 = 40 µAmps, čo je veľký pokles v porovnaní s posledným 1 mAmp pre jedno zariadenie.

Darlingtonské konfigurácie

V Darlingtonovom tranzistore existujú hlavne dva typy konfigurácie a tieto sú

Konfigurácia spínača Darlingtonovho tranzistora demonštruje, že kolektorové svorky týchto dvoch zariadení sú spojené s emitorovou svorkou počiatočného tranzistora, ktorý je spojený so základnou hranou druhého tranzistorového zariadenia. Aktuálna hodnota na svorke emitora prvého tranzistora sa teda vytvorí tak, ako sa vstupný prúd druhého tranzistora dostane do stavu On.

Prvý vstupný tranzistor dostane svoj vstupný signál na svorke základne. Vstupný tranzistor sa všeobecne zosilňuje a používa sa na riadenie ďalších výstupných tranzistorov. Druhé zariadenie zosilňuje signál, čo vedie k maximálnej hodnote prúdového zisku. Jednou z rozhodujúcich vlastností Darlingtonovho tranzistora je jeho maximálny prúdový zisk v súvislosti s jedným zariadením BJT.

Okrem schopnosti maximálnych spínacích charakteristík napätia a prúdu je ďalšou ďalšou výhodou jeho maximálna rýchlosť spínania. Táto spínacia operácia umožňuje, aby bolo zariadenie špeciálne použité na invertorové obvody, jednosmerný motor, svetelné obvody a účely regulácie krokových motorov.

Pri využívaní Darlingtonových tranzistorov ako pri konvenčných samostatných typoch BJT pri realizácii tranzistora ako prepínača je potrebné brať do úvahy variáciu, že vstupné napätie na križovatke základne a vysielača vyžaduje viac, čo je takmer 1,4 V pre kremíkový typ zariadenia, ako kvôli sériovému spojeniu dvoch PN spojov.

Niektoré z bežných praktických aplikácií tranzistora ako prepínača

V tranzistore, pokiaľ netečie prúd v základnom obvode, nemôže pretekať žiadny prúd v obvode kolektora. Táto vlastnosť umožní, aby sa tranzistor používal ako prepínač. Tranzistor je možné zapnúť alebo vypnúť zmenou pätice. Existuje niekoľko aplikácií spínacích obvodov prevádzkovaných tranzistormi. Tu som uvažoval o tranzistore NPN, aby som vysvetlil niekoľko aplikácií, ktoré používajú tranzistorový spínač.

Svetlom ovládaný spínač

Obvod je navrhnutý tak, že sa ako prepínač použije tranzistor na osvetlenie žiarovky v jasnom prostredí a jej vypnutie v tme a Odpor závislý od svetla (LDR) v deliči potenciálov. Keď je prostredie tmavé Odpor LDR sa stáva vysokou. Potom je tranzistor vypnutý. Keď je LDR vystavená jasnému svetlu, jeho odpor klesá na menšiu hodnotu, čo vedie k väčšiemu napájaciemu napätiu a zvýšeniu základného prúdu tranzistora. Teraz je tranzistor zapnutý, prúdi kolektorový prúd a žiarovka sa rozsvieti.

Tepelne ovládaný spínač

Jedným z dôležitých komponentov v obvode tepelne ovládaného spínača je termistor. Termistor je typ odporu ktorý reaguje v závislosti od okolitej teploty. Jeho odpor sa zvyšuje pri nízkej teplote a naopak. Pri pôsobení tepla na termistor klesá jeho odpor a zvyšuje sa základný prúd, po ktorom nasleduje väčšie zvýšenie kolektorového prúdu a siréna bude fúkať. Tento konkrétny obvod je vhodný ako požiarny poplachový systém .

“používanie diód v každodennom živote ”

Tepelne ovládaný spínač

Riadenie jednosmerného motora (vodič) v prípade vysokého napätia

Zvážte, že na tranzistor nie je pripojené žiadne napätie, potom sa tranzistor vypne a nebude ním pretekať žiadny prúd. Preto relé zostáva v stave VYPNUTÉ. Napájanie jednosmerného motora je napájaný zo svorky normálne zatvoreného (NC) relé, takže motor sa bude otáčať, keď je relé v stave VYPNUTÉ. Aplikácia vysokého napätia na základňu tranzistora BC548 spôsobí zapnutie tranzistora a reléovej cievky na napájanie.

Praktický príklad

Tu budeme poznať hodnotu základného prúdu, ktorá je potrebná na to, aby sa tranzistor úplne dostal do stavu ZAPNUTÉ, keď záťaž vyžaduje prúd 200 mA, keď je vstupná hodnota zvýšená na 5v. Poznajte tiež hodnotu Rb.

Hodnota základného prúdu tranzistora je

Ib = Ic / β uvažujeme β = 200

Ib = 200 mA / 200 = 1 mA

Hodnota základného odporu tranzistora je Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10^-3

Rb = 4,3 kΩ

Tranzistorové spínače sa široko používajú v mnohých aplikáciách, ako je prepojenie obrovského prúdu alebo vysokej hodnoty napäťových zariadení, ako sú motory, relé alebo svetlá, na minimálnu hodnotu napätia, digitálne integrované obvody alebo sa používajú v logických bránach, ako sú AND brány alebo OR. Tiež, keď je výstup dodávaný z logickej brány + 5 V, zatiaľ čo zariadenie, ktoré sa musí regulovať, môže vyžadovať zvädnutie napájacieho napätia 12 V alebo dokonca 24 V.

Alebo záťaž ako jednosmerný motor môže vyžadovať, aby boli jeho otáčky monitorované nepretržitými impulzmi. Tranzistorové spínače umožňujú, aby bola táto operácia rýchlejšia a jednoduchšia v porovnaní s tradičnými mechanickými spínačmi.

Prečo používať tranzistor namiesto prepínača?

Pri implementácii tranzistora namiesto spínača reguluje aj minimálne množstvo základného prúdu vyšší prúd záťaže v termináli kolektora. Pomocou tranzistorov namiesto prepínača sú tieto zariadenia podporované relé a solenoidmi. Zatiaľ čo v prípade, keď sa majú regulovať vyššie úrovne prúdov alebo napätí, použijú sa Darlingtonove tranzistory.

Celkovo možno zhrnúť, že iba zopár podmienok, ktoré sa uplatňujú pri prevádzke tranzistora ako spínača, je

Pri použití BJT ako prepínača musí byť uvedený do činnosti buď neúplný stav ZAPNUTÝ, alebo úplný stav ZAPNUTÝ.
Pri použití tranzistora ako prepínača reguluje minimálna hodnota základného prúdu zvýšený prúd zaťaženia kolektora.
Pri implementácii tranzistorov, ktoré sa majú spínať ako relé a solenoidy, je lepšie používať diódy zotrvačníka.
Na reguláciu väčších hodnôt buď napätia, alebo prúdov fungujú Darlingtonove tranzistory v najlepšom prípade.

A tento článok priniesol komplexné a jasné informácie o tranzistoroch, operačných regiónoch, fungujúcich ako prepínač, charakteristikách a praktických aplikáciách. Druhou rozhodujúcou a súvisiacou témou, ktorá sa má vedieť, je to, čo je digitálny logický tranzistorový spínač a jeho fungovanie, obvodova schema?