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Transistor als Schalter - Transistorschaltung verwenden

Transistoren

Bei Verwendung als AC-Signalverstärker kann derTransistoren Die Basisvorspannung wird so angelegt, dass sie immer in ihrem "aktiven" Bereich arbeitet, dh der lineare Teil der Ausgangskennlinien wird verwendet.

Es kann jedoch sowohl der NPN- als auch der PNP-Bipolartransistor als Festkörperschalter vom "EIN / AUS" -Typ betrieben werden, indem der Basisanschluss der Transistoren anders als bei einem Signalverstärker vorgespannt wird.

Halbleiterschalter sind einer der HauptschalterAnwendungen für die Verwendung eines Transistors zum Schalten eines Gleichstromausgangs "EIN" oder "AUS". Einige Ausgabegeräte wie LEDs benötigen nur wenige Milliampere bei Gleichspannungen auf Logikebene und können daher direkt vom Ausgang eines Logikgatters angesteuert werden. Hochleistungsvorrichtungen wie Motoren, Solenoide oder Lampen erfordern jedoch häufig mehr Energie als die von einem gewöhnlichen Logikgatter gelieferte, so dass Transistorschalter verwendet werden.

Wenn die Schaltung die Bipolartransistor als SchalterDann wird durch die Vorspannung des Transistors entweder NPN oder PNP der Transistor auf beiden Seiten der "I-V" -Kennlinie betrieben, die wir zuvor gesehen haben.

Die Einsatzbereiche für einen Transistorschalter sind als bekannt Sättigungsbereich und das Cut-Off-Region. Das bedeutet dann, dass wir das ignorieren könnenQ-Punkt-Vorspannungs- und Spannungsteilerschaltkreis, die für die Verstärkung erforderlich sind, und verwenden den Transistor als Schalter, indem er ihn zwischen den Bereichen "vollständig AUS" (Abschaltung) und "vollständig EIN" (Sättigung) hin und her treibt, wie gezeigt unten.

Betriebsbereiche des Transistorschalters

Transistorschalter-Betriebsbereich

Der rosa schattierte Bereich am unteren Rand der Kurvenrepräsentiert den "Cut-Off" -Bereich, während der blaue Bereich links den "Sättigungs" -Bereich des Transistors darstellt. Diese beiden Transistorbereiche sind definiert als:

1. Cut-off Region

Hier sind die Betriebsbedingungen des Transistors Null-Eingangsbasisstrom (IB ), Ausgangskollektorstrom Null (IC ) und maximale Kollektorspannung (VCE ), was zu einer großen Verarmungsschicht führt und kein Strom durch die Vorrichtung fließt. Deshalb ist der Transistor auf "Voll" geschaltet.

Cut-Off-Eigenschaften

Transistorschalter in Abschaltung
  • • Eingang und Basis sind geerdet (0V)
  • • Basis-Emitter-Spannung VSEIN <0,7 v
  • • Die Basis-Emitter-Verbindung ist in Sperrrichtung vorgespannt
  • • Die Base-Collector-Verbindung ist in Sperrrichtung vorgespannt
  • • Transistor ist "vollständig ausgeschaltet" (Grenzbereich)
  • • Es fließt kein Kollektorstrom (IC = 0)
  • • VAUS = VCE = VCC = "1"
  • • Transistor arbeitet als "offener Schalter"

Dann können wir den "Sperrbereich" oder "AUS-Modus" definieren, wenn ein Bipolartransistor als Schalter verwendet wird, wobei beide Übergänge umgekehrt vorgespannt sindB <0,7 V und ichC = 0. Bei einem PNP-Transistor muss das Emitterpotential bezüglich der Basis negativ sein.

2. Sättigungsbereich

Hier wird der Transistor so vorgespannt, dass dieEs wird ein maximaler Basisstrom angelegt, was zu einem maximalen Kollektorstrom führt, der zu einem minimalen Kollektor-Emitterspannungsabfall führt, der dazu führt, dass die Verarmungsschicht so klein wie möglich ist und ein maximaler Strom durch den Transistor fließt. Deshalb ist der Transistor auf "Voll Ein" geschaltet.

Sättigungsmerkmale

Transistorschalter in Sättigung
  • • Eingang und Basis sind mit V verbundenCC
  • • Basis-Emitter-Spannung VSEIN > 0,7 v
  • • Die Basis-Emitter-Verbindung ist vorwärts vorgespannt
  • • Die Base-Collector-Verbindung ist vorwärts vorgespannt
  • • Transistor ist "voll eingeschaltet" (Sättigungsbereich)
  • • Maximaler Kollektorstrom fließt (IC = Vcc / RL )
  • • VCE = 0 (ideale Sättigung)
  • • VAUS = VCE = "0"
  • • Transistor arbeitet als "geschlossener Schalter"

Dann können wir den "Sättigungsbereich" oder "EIN-Modus" definieren, wenn ein Bipolartransistor als Schalter verwendet wird, wobei beide Übergänge in Durchlassrichtung V vorgespannt sindB > 0,7 V und ichC = Maximum. Bei einem PNP-Transistor muss das Emitterpotential in Bezug auf die Basis positiv sein.

Dann arbeitet der Transistor als "einpolig"Single-Throw-Halbleiterschalter (SPST). Wenn ein Nullsignal an die Basis des Transistors angelegt wird, schaltet es wie ein offener Schalter aus und der Kollektorstrom fließt. Wenn ein positives Signal an die Basis des Transistors angelegt wird, schaltet es wie ein geschlossener Schalter auf "ON" und der maximale Stromkreis fließt durch das Gerät.

Der einfachste Weg, um von moderat auf hoch zu schaltenStromstärken ist die Verwendung des Transistors mit einem Open-Collector-Ausgang und der Transitor-Emitter-Klemme, die direkt mit Masse verbunden ist. Bei dieser Verwendung kann der Open-Collector-Ausgang der Transistoren somit eine extern zugeführte Spannung auf Masse "absenken", wodurch eine angeschlossene Last gesteuert wird.

Ein Beispiel für einen NPN-Transistor als Schalterfür den Betrieb eines Relais ist unten angegeben. Bei induktiven Lasten wie Relais oder Solenoiden wird eine Schwungraddiode über der Last angeordnet, um die von der induktiven Last erzeugte Rück-EMF abzuleiten, wenn der Transistor "AUS" schaltet, und schützt so den Transistor vor Beschädigung. Wenn die Last sehr stark strom- oder spannungsabhängig ist, wie Motoren, Heizungen usw., kann der Laststrom wie gezeigt über ein geeignetes Relais gesteuert werden.

NPN-Transistorschaltkreis

npn Transistor als Schalter

Die Schaltung ähnelt der der Gemeinsamer Emitter Schaltung, die wir in den vorherigen Tutorials angesehen haben. Der Unterschied ist, dass der Transistor zum Betreiben des Transistors als Schalter entweder ganz auf "AUS" (Abschaltung) oder vollständig auf "EIN" (gesättigt) geschaltet werden muss. Ein idealer Transistorschalter hätte einen unendlichen Stromkreiswiderstand zwischen dem Kollektor und dem Emitter, wenn er auf "vollständig AUS" geschaltet ist, was dazu führt, dass kein Strom durch ihn fließt und der Widerstand zwischen dem Kollektor und dem Emitter null ist, wenn er auf "vollständig eingeschaltet" ist, was zu einem maximalen Stromfluss führt.

Wenn der Transistor auf "AUS" geschaltet ist, fließen in der Praxis kleine Leckströme durch den Transistor, und wenn er vollständig eingeschaltet ist, weist das Bauelement einen niedrigen Widerstandswert auf, der eine kleine Sättigungsspannung (V) verursachtCE ) gegenüber von. Obwohl der Transistor kein perfekter Schalter ist, ist die von dem Transistor verbrauchte Leistung sowohl im Sperr- als auch im Sättigungsbereich minimal.

Damit der Basisstrom fließen kann, die BasisDer Eingangsanschluß muss positiver gemacht werden als der Emitter, indem er über die für ein Siliziumgerät erforderlichen 0,7 Volt erhöht wird. Durch Variieren dieser Basis-Emitter-Spannung VSEINwird auch der Basisstrom geändert, der wiederum die Menge des durch den Transistor fließenden Kollektorstroms steuert, wie zuvor erörtert.

Wenn maximaler Kollektorstrom fließt, spricht man von dem Transistor Gesättigt. Der Wert des Basiswiderstandes bestimmt, wie viel Eingangsspannung erforderlich ist, und den entsprechenden Basisstrom, um den Transistor vollständig einzuschalten.

Transistor als Schalter Beispiel Nr. 1

Verwenden der Transistorwerte aus dem vorherigenTutorials von: β = 200, Ic = 4mA und Ib = 20uA, finden Sie den Wert des Basiswiderstandes (Rb), der zum vollständigen Einschalten der Last erforderlich ist, wenn die Eingangsanschlussspannung 2,5 V überschreitet.

Transistor-Basiswiderstand

Der nächstniedrigste bevorzugte Wert ist: 82 kΩ. Dies garantiert, dass der Transistorschalter immer gesättigt ist.

Transistor als Schalter Beispiel Nr. 2

Suchen Sie erneut mit den gleichen Werten das MinimumDer Basisstrom ist erforderlich, um den Transistor "vollständig eingeschaltet" (gesättigt) zu schalten, wenn eine Last 200 mA Strom benötigt, wenn die Eingangsspannung auf 5,0 V erhöht wird. Berechnen Sie auch den neuen Wert von Rb.

Transistor-Basisstrom:

Transistorbasisstrom

Widerstand der Transistorbasis:

Transistorbasiswiderstand

Transistorschalter werden für eine große Vielfalt verwendetB. Anwendungen für den Anschluss von Geräten mit hohem Strom oder hoher Spannung wie Motoren, Relais oder Lampen an digitale ICs mit niedriger Spannung oder Logikgatter wie UND- oder ODER-Gatter Hier ist der Ausgang eines digitalen Logikgatters nur +5 V, aber das zu steuernde Gerät benötigt möglicherweise eine Spannung von 12 oder sogar 24 Volt. Oder die Last, z. B. ein Gleichstrommotor, muss möglicherweise mit einer Reihe von Impulsen (Pulsweitenmodulation) geregelt werden. Mit Transistorschaltern können wir dies schneller und einfacher als mit herkömmlichen mechanischen Schaltern.

Digitaler Logik-Transistorschalter

digitaler logischer Transistorschalter

Der Basiswiderstand Rb ist erforderlich, um den Ausgangsstrom vom Logikgatter zu begrenzen.

PNP-Transistorschalter

Wir können die PNP-Transistoren auch als Schalter verwenden,Der Unterschied besteht diesmal darin, dass die Last an Masse (0V) angeschlossen ist und der PNP-Transistor die Stromversorgung darauf schaltet. Um den PNP-Transistor als EIN-Schalter einzuschalten, ist der Basisanschluss wie gezeigt mit Masse oder Null Volt (LOW) verbunden.

PNP-Transistorschaltkreis

PNP-Transistor als Schalter

Die Gleichungen zur Berechnung der BasisWiderstand, Kollektorstrom und -spannungen sind genauso wie beim vorherigen NPN-Transistorschalter. Der Unterschied ist diesmal, dass wir die Leistung mit einem PNP-Transistor (Bezugsstrom) anstatt mit einem NPN-Transistor (Sinking-Strom) schalten.

Darlington-Transistorschalter

Manchmal ist die Gleichstromverstärkung des bipolarenDer Transistor ist zu niedrig, um den Laststrom oder die Lastspannung direkt umzuschalten, daher werden mehrere Schalttransistoren verwendet. Hier wird ein kleiner Eingangstransistor verwendet, um einen viel größeren Stromhandhabungstransistor einzuschalten. Um die Signalverstärkung zu maximieren, sind die beiden Transistoren in einer "Complementary Gain Compounding Configuration" oder einer sogenannten "Darlington-Konfiguration”War der Verstärkungsfaktor das Produkt der beiden Einzeltransistoren.

Darlington-Transistoren enthalten Sie einfach zwei einzelne bipolare NPN oder PNPTransistoren des Typs sind so miteinander verbunden, dass die Stromverstärkung des ersten Transistors mit der der Stromverstärkung des zweiten Transistors multipliziert wird, um eine Vorrichtung zu erzeugen, die wie ein einzelner Transistor mit einer sehr hohen Stromverstärkung für einen viel kleineren Basisstrom wirkt. Die Gesamtstromverstärkung Beta (β) oder der Wert hfe einer Darlington-Vorrichtung ist das Produkt der zwei einzelnen Verstärkungen der Transistoren und wird wie folgt angegeben:

Darlington-Transistorstromverstärkung

Also Darlington-Transistoren mit sehr hohen β-Wertenund hohe Kollektorströme sind im Vergleich zu einem einzelnen Transistorschalter möglich. Wenn zum Beispiel der erste Eingangstransistor eine Stromverstärkung von 100 hat und der zweite Schalttransistor eine Stromverstärkung von 50 hat, dann wird die Gesamtstromverstärkung 100 * 50 = 5000 sein. Wenn beispielsweise unser Laststrom von oben 200 mA beträgt beträgt der Darlington-Basisstrom nur 200 mA / 5000 = 40 uA. Eine enorme Reduzierung gegenüber dem vorherigen 1 mA für einen einzelnen Transistor.

Ein Beispiel der zwei Grundtypen von Darlington-Transistorkonfigurationen ist unten angegeben.

Darlington-Transistor-Konfigurationen

Darlington-Transistor als Schalter

Der obige NPN-Darlington-TransistorschalterDie Konfiguration zeigt die Kollektoren der beiden Transistoren, die mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden sind, der mit dem Basisanschluss des zweiten Transistors verbunden ist. Daher wird der Emitterstrom des ersten Transistors der Basisstrom des zweiten Transistors, der ihn "EIN" schaltet.

Der erste oder "Eingang" -Transistor empfängt dieEingangssignal an seine Basis. Dieser Transistor verstärkt ihn auf die übliche Weise und steuert damit die zweiten größeren Ausgangstransistoren. Der zweite Transistor verstärkt das Signal erneut, was zu einer sehr hohen Stromverstärkung führt. Eines der Hauptmerkmale von Darlington-Transistoren ist ihre hohe Stromverstärkung im Vergleich zu einzelnen Bipolartransistoren.

Ebenso wie der erhöhte Strom und die SpannungSchaltmöglichkeiten, ein weiterer Vorteil eines „Darlington-Transistorschalters“ besteht in seinen hohen Schaltgeschwindigkeiten, die ihn ideal für den Einsatz in Wechselrichterschaltungen, Beleuchtungsschaltungen und Steuerungsanwendungen für Gleichstrommotoren oder Schrittmotoren eignen.

Bei der Verwendung von Darlington-Transistoren gegenüber herkömmlichen Einzelbipolartypen ist bei der Verwendung des Transistors als Schalter zu berücksichtigen, dass die Eingangs-Emitter-Eingangsspannung (VSEIN ) muss bei Silizium-Geräten aufgrund der Serienschaltung der beiden PN-Übergänge bei etwa 1,4 V liegen.

Transistor als Schalterzusammenfassung

Dann zusammenfassen, wenn Sie ein Transistor als Schalter Es gelten folgende Bedingungen:

  • Transistorschalter können zum Schalten und Steuern von Lampen, Relais oder sogar Motoren verwendet werden.
  • Wenn Sie den Bipolartransistor als Schalter verwenden, müssen sie entweder „vollständig ausgeschaltet“ oder „vollständig eingeschaltet“ sein.
  • Transistoren, die vollständig "EIN" sind, sollen sich in ihrem Zustand befinden Sättigung Region.
  • Transistoren, die vollständig "AUS" sind, sollen sich in ihrem Zustand befinden Abgeschnitten Region.
  • Bei Verwendung des Transistors als Schalter steuert ein kleiner Basisstrom einen viel größeren Laststrom des Kollektors.
  • Bei der Verwendung von Transistoren zum Schalten von induktiven Lasten wie Relais und Magnetspulen wird eine "Schwungraddiode" verwendet.
  • Wenn große Ströme oder Spannungen gesteuert werden müssen, Darlington-Transistoren kann verwendet werden.
  • Darlington-Transistor-Konfigurationen können durch Verbinden von zwei Transistoren hergestellt werden.

Im nächsten Tutorial ungefähr Transistorenbetrachten wir die Funktionsweise der KreuzungFeldeffekttransistor, allgemein als JFET bekannt. Wir werden auch die üblicherweise mit JFET-Verstärkerschaltungen verknüpften Ausgangskennlinien als Funktion der Source-Spannung zur Gate-Spannung aufzeichnen.

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