Verwendung des Transistors als Schalter

Das Hauptgerät im Bereich Elektrik und Elektronik ist das geregelte Ventil, das es einem schwachen Signal ermöglicht, den größeren Durchfluss zu regulieren, ähnlich wie bei der Düse, die den Wasserfluss von Pumpen, Rohren und anderen reguliert. Zu einer Zeit waren dieses geregelte Ventil, das im elektrischen Bereich implementiert wurde, Vakuumröhren. Die Implementierung und Verwendung der Vakuumröhren war gut, aber die Komplikation damit war groß und der Verbrauch an riesiger elektrischer Energie, die als Wärme abgegeben wurde, verkürzte die Lebensdauer der Röhre. Als Ausgleich für dieses Problem war der Transistor das Gerät, das eine gute Lösung bot, die den Anforderungen der gesamten Elektro- und Elektronikindustrie entspricht. Dieses Gerät wurde 1947 von „William Shockley“ erfunden. Um mehr zu diskutieren, lassen Sie uns auf das detaillierte Thema eingehen, zu wissen, was ein ist Transistor , implementieren Transistor als Schalter und viele Eigenschaften.

Was ist der Transistor?

Ein Transistor ist eine Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen Dies kann zum Schalten von Anwendungen, zur Verstärkung schwacher Signale und in Mengen von Tausenden und Millionen von Transistoren verwendet werden, die miteinander verbunden und in eine winzige integrierte Schaltung / einen winzigen Chip eingebettet sind, der Computerspeicher erzeugt. Ein Transistorschalter, der zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises verwendet wird, dh der Transistor wird wegen seines niedrigen Niveaus üblicherweise nur für Niederspannungsanwendungen als Schalter in den elektronischen Geräten verwendet Leistung Verbrauch. Der Transistor arbeitet als Schalter, wenn er sich in Sperr- und Sättigungsbereichen befindet.

Arten von BJT-Transistoren

Grundsätzlich besteht ein Transistor aus zwei PN-Übergängen. Diese Übergänge werden durch Sandwiching entweder vom N-Typ oder vom P-Typ gebildet Halbleiter Material zwischen einem Paar der entgegengesetzten Art von Halbleitermaterialien.

Bipolare Verbindung Transistoren werden in Typen eingeteilt

• NPN
• PNP

Der Transistor hat drei Anschlüsse, nämlich Base, Emitter und Sammler. Der Emitter ist ein stark dotierter Anschluss und emittiert die Elektronen in den Basisbereich. Der Basisanschluss ist leicht dotiert und leitet die vom Emitter injizierten Elektronen auf den Kollektor. Der Kollektoranschluss ist zwischenzeitlich dotiert und sammelt Elektronen von der Basis.

Ein Transistor vom NPN-Typ ist die Zusammensetzung von zwei dotierten Halbleitermaterialien vom N-Typ zwischen einer dotierten Halbleiterschicht vom P-Typ, wie oben gezeigt. In ähnlicher Weise sind Transistoren vom PNP-Typ die Zusammensetzung von zwei dotierten Halbleitermaterialien vom P-Typ zwischen einer dotierten Halbleiterschicht vom N-Typ, wie oben gezeigt. Die Funktionsweise von NPN- und PNP-Transistoren ist gleich, unterscheidet sich jedoch hinsichtlich ihrer Vorspannung und der Polarität der Stromversorgung.

Transistor als Schalter

Wenn die Schaltung die verwendet BJT-Transistor als Schalter h, dann ist die Vorspannung des Transistors, entweder NPN oder PNP, so angeordnet, dass der Transistor auf beiden Seiten der unten gezeigten I-V-Kennlinien betrieben wird. Ein Transistor kann in drei Modi betrieben werden: aktiver Bereich, Sättigungsbereich und Abschaltbereich. Im aktiven Bereich arbeitet der Transistor als Verstärker. Als Transistorschalter arbeitet er in zwei Regionen und diese sind Sättigungsbereich (voll eingeschaltet) und die Grenzbereich (vollständig AUS). Das Transistor als Schaltplan ist

Transistor als Schalter

Beide NPN- und PNP-Transistoren können als Schalter betrieben werden. Nur wenige Anwendungen verwenden einen Leistungstransistor als Schaltwerkzeug. Während dieses Zustands ist es möglicherweise nicht erforderlich, einen anderen Signaltransistor zum Ansteuern dieses Transistors zu verwenden.

Betriebsarten von Transistoren

Anhand der obigen Eigenschaften können wir beobachten, dass der rosa schattierte Bereich am unteren Rand der Kurven den Grenzbereich darstellt und der blaue Bereich links den Sättigungsbereich des Transistors darstellt. Diese Transistorbereiche sind definiert als

Grenzbereich

Die Betriebsbedingungen des Transistors sind Null-Eingangsbasisstrom (IB = 0), Null-Ausgangskollektorstrom (Ic = 0) und maximale Kollektorspannung (VCE), was zu einer großen Verarmungsschicht führt und kein Strom durch die Vorrichtung fließt.

Daher wird der Transistor auf 'Fully-OFF' geschaltet. Wir können also den Grenzbereich definieren, wenn ein Bipolartransistor als Schalter verwendet wird, da die Übergänge der NPN-Transistoren in Sperrrichtung vorgespannt sind (VB)<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Abschaltmodus

Dann können wir den 'Abschaltbereich' oder 'AUS-Modus' definieren, wenn ein Bipolartransistor als Schalter verwendet wird, wobei beide Übergänge in Sperrrichtung vorgespannt sind, IC = 0 und VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Merkmale der Grenzregion

Die Eigenschaften im Grenzbereich sind:

• Sowohl der Basis- als auch der Eingangsanschluss sind geerdet, was bedeutet, dass „0“ v
• Der Spannungspegel am Basis-Emitter-Übergang beträgt weniger als 0,7 V.
• Der Basis-Emitter-Übergang befindet sich in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand
• Hier fungiert der Transistor als OPEN-Schalter
• Wenn der Transistor vollständig ausgeschaltet ist, bewegt er sich in den Abschaltbereich
• Der Basis-Kollektor-Übergang befindet sich in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand
• In der Kollektorklemme fließt kein Strom, was bedeutet, dass Ic = 0 ist
• Der Spannungswert am Emitter-Kollektor-Übergang und an den Ausgangsanschlüssen beträgt „1“.

Sättigungsbereich

In diesem Bereich wird der Transistor so vorgespannt, dass der maximale Basisstrom (IB) angelegt wird, was zu einem maximalen Kollektorstrom (IC = VCC / RL) und dann zu einer minimalen Kollektor-Emitter-Spannung (VCE ~ 0) führt. fallen. In diesem Zustand wird die Verarmungsschicht so klein wie der mögliche und maximale Strom, der durch den Transistor fließt. Daher ist der Transistor voll eingeschaltet.

Sättigungsmodus

Bei der Definition von 'Sättigungsbereich' oder 'EIN-Modus' bei Verwendung eines bipolaren NPN-Transistors als Schalter sind beide Übergänge in Vorwärtsrichtung vorgespannt, IC = Maximum und VB> 0,7 V. Für einen PNP-Transistor muss das Emitterpotential in Bezug auf die Basis + ve sein. Dies ist das Funktion des Transistors als Schalter .

Eigenschaften des Sättigungsbereichs

Das Sättigungseigenschaften sind:

• Sowohl der Basis- als auch der Eingangsanschluss sind mit Vcc = 5 V verbunden
• Der Spannungspegel am Basis-Emitter-Übergang beträgt mehr als 0,7 V.
• Der Basis-Emitter-Übergang befindet sich in einem vorwärts vorgespannten Zustand
• Hier fungiert der Transistor als CLOSED-Schalter
• Wenn der Transistor vollständig ausgeschaltet ist, bewegt er sich in den Sättigungsbereich
• Der Basis-Kollektor-Übergang befindet sich in einem vorwärts vorgespannten Zustand
• Der Stromfluss in der Kollektorklemme beträgt Ic = (Vcc / RL)
• Der Spannungswert an der Emitter-Kollektor-Verbindung und an den Ausgangsanschlüssen beträgt „0“.
• Wenn die Spannung am Kollektor-Emitter-Übergang '0' ist, bedeutet dies eine ideale Sättigungsbedingung

zusätzlich Funktion des Transistors als Schalter kann im Detail wie folgt erklärt werden:

Transistor als Schalter - NPN

Abhängig vom angelegten Spannungswert an der Basiskante des Transistors findet eine Schaltfunktion statt. Wenn zwischen dem Emitter und den Basiskanten eine gute Spannungsmenge von ~ 0,7 V liegt, ist der Spannungsfluss am Kollektor zur Emitterkante Null. Der Transistor in diesem Zustand fungiert also als Schalter, und der Strom, der durch den Kollektor fließt, wird als Transistorstrom betrachtet.

Auf die gleiche Weise funktioniert der Transistor im Sperrbereich und als offener Stromkreis, wenn am Eingangsanschluss keine Spannung anliegt. Bei dieser Schaltmethode berührt die angeschlossene Last den Schaltpunkt, an dem dieser als Referenzpunkt dient. Wenn sich der Transistor in den EIN-Zustand bewegt, fließt über die Last ein Strom vom Quellenanschluss zur Erde.

NPN-Transistor als Schalter

Um diese Schaltmethode zu verdeutlichen, betrachten wir ein Beispiel.

Angenommen, ein Transistor hat einen Basiswiderstandswert von 50 kOhm, der Widerstand an der Kollektorkante beträgt 0,7 kOhm und die angelegte Spannung beträgt 5 V und betrachtet den Beta-Wert als 150. An der Basisflanke wird ein Signal angelegt, das zwischen 0 und 5 V variiert . Dies entspricht, dass der Kollektorausgang durch Modifizieren der Eingangsspannungswerte von 0 und 5 V beobachtet wird. Betrachten Sie das folgende Diagramm.

Wenn V._DIES= 0, dann ich_C.= V._DC/ R._C.

IC = 5 / 0,7

Der Strom am Kollektoranschluss beträgt also 7,1 mA

Wenn der Beta-Wert 150 beträgt, ist Ib = Ic / β

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

Der Basisstrom beträgt also 47,3 µA

Mit den obigen Werten beträgt der höchste Stromwert an der Kollektorklemme 7,1 mA, wenn die Spannung zwischen Kollektor und Emitter Null ist und der Basisstromwert 47,3 µA beträgt. Somit wurde bewiesen, dass sich der NPN-Transistor in den Sättigungsbereich bewegt, wenn der Wert des Stroms an der Basiskante über 47,3 uA erhöht wird.

Angenommen, ein Transistor hat eine Eingangsspannung von 0V. Dies bedeutet, dass der Basisstrom „0“ ist. Wenn der Emitterübergang geerdet ist, befinden sich der Emitter- und der Basisübergang nicht in einem Vorwärtsvorspannungszustand. Der Transistor befindet sich also im AUS-Modus und der Spannungswert an der Kollektorkante beträgt 5 V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5 V.

Angenommen, ein Transistor hat eine Eingangsspannung von 5V. Hier kann der aktuelle Wert an der Basiskante unter Verwendung von bekannt sein Kirchhoffs Spannungsprinzip .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Wenn ein Siliziumtransistor betrachtet wird, hat er Vbe = 0,7 V.

Also ist Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 uA

Somit wurde bewiesen, dass sich der NPN-Transistor bei 5 V Eingangsbedingung in einen Sättigungsbereich bewegt, wenn der Wert des Stroms an der Basiskante über 56,8 uA erhöht wird.

Transistor als Schalter - PNP

Die Schaltfunktionen sowohl für den PNP- als auch für den NPN-Transistor sind ähnlich, aber die Variation besteht darin, dass beim PNP-Transistor der Stromfluss vom Basisanschluss erfolgt. Diese Schaltkonfiguration wird für die negativen Masseverbindungen verwendet. Hier hat die Basiskante eine negative Vorspannungsverbindung entsprechend der Emitterkante. Wenn die Spannung an der Basisklemme mehr als -ve beträgt, fließt ein Basisstrom. Um klar zu sein, dass wenn ein sehr minimales oder -ve Spannungsventil existiert, dies den Transistor als kurzgeschlossen macht, wenn er nicht offen ist oder sonst hohe Impedanz .

Bei dieser Art der Verbindung steht die Last zusammen mit einem Referenzpunkt mit dem Schaltausgang in Verbindung. Wenn der PNP-Transistor eingeschaltet ist, fließt Strom über einen Transistor von der Quelle zur Last und dann zur Masse.

PNP-Transistor als Schalter

Wie beim NPN-Transistorschaltvorgang befindet sich auch der PNP-Transistoreingang an der Basiskante, während der Emitteranschluss mit einer festen Spannung verbunden ist und der Kollektoranschluss über eine Last mit Masse verbunden ist. Das folgende Bild erklärt die Schaltung.

Hier befindet sich der Basisanschluss immer in einem negativen Vorspannungszustand entsprechend der Emitterflanke und der Basis, die er auf der negativen Seite und dem Emitter auf der positiven Seite der Eingangsspannung angeschlossen hat. Dies bedeutet, dass die Spannung an der Basis zum Emitter negativ und die Spannung am Emitter zum Kollektor positiv ist. Es liegt also eine Transistorleitfähigkeit vor, wenn die Emitterspannung einen positiveren Pegel aufweist als die der Basis- und Kollektoranschlüsse. Daher sollte die Spannung an der Basis negativer sein als die anderer Klemmen.

Um den Wert von Kollektor- und Basisströmen zu kennen, benötigen wir die folgenden Ausdrücke.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Einer

Wobei Ub = Ic / β

Um diese Schaltmethode zu verdeutlichen, betrachten wir ein Beispiel.

Angenommen, die Lastschaltung benötigt 120 mA und der Beta-Wert des Transistors beträgt 120. Dann ist der Stromwert, der benötigt wird, damit sich der Transistor im Sättigungsmodus befindet

Ib = Ic / β

= 120 mAm / 100

Ib = 1 mAmp

Wenn also ein Basisstrom von 1 mAmp vorhanden ist, ist der Transistor vollständig eingeschaltet. Während in praktischen Szenarien ungefähr 30 bis 40 Prozent mehr Strom für eine ordnungsgemäße Transistorsättigung erforderlich sind. Dies bedeutet, dass der für das Gerät erforderliche Basisstrom 1,3 mAmps beträgt.

Schaltbetrieb des Darlington-Transistors

In einigen Fällen ist die Stromverstärkung des Gleichstroms in der BJT-Vorrichtung zum direkten Schalten der Lastspannung oder des Laststroms sehr gering. Aus diesem Grund werden Schalttransistoren verwendet. In diesem Zustand ist eine kleine Transistervorrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Schalters und ein erhöhter Stromwert zum Regeln des Ausgangstransistors enthalten.

Um die Signalverstärkung zu verbessern, werden zwei Transistoren in Form einer 'Komplementärverstärkungs-Compoundierungskonfiguration' verbunden. In dieser Konfiguration ist der Verstärkungsfaktor das Ergebnis des Produkts zweier Transistoren.

Darlington Transistor

Darlington-Transistoren sind normalerweise in zwei bipolaren PNP- und NPN-Transistortypen enthalten, wobei diese so verbunden sind, dass der Verstärkungswert des anfänglichen Transistors mit dem Verstärkungswert der zweiten Transistervorrichtung multipliziert wird.

Dies führt zu dem Ergebnis, dass das Gerät als einzelner Transistor mit maximaler Stromverstärkung selbst bei einem minimalen Basisstromwert fungiert. Die gesamte Stromverstärkung des Darlington-Schaltgeräts ist das Produkt der Stromverstärkungswerte sowohl der PNP- als auch der NPN-Transistoren und wird wie folgt dargestellt:

β = β1 × β2

Mit den obigen Punkten hängen Darlington-Transistoren mit maximalen β- und Kollektorstromwerten möglicherweise mit dem Schalten eines einzelnen Transistors zusammen.

Wenn beispielsweise der Eingangstransistor einen Stromverstärkungswert von 100 und der zweite einen Verstärkungswert von 50 hat, beträgt die Gesamtstromverstärkung

β = 100 × 50 = 5000

Wenn der Laststrom also 200 mA beträgt, beträgt der Stromwert im Darlington-Transistor am Basisanschluss 200 mA / 5000 = 40 µAmps, was im Vergleich zu den letzten 1 mAmp für ein einzelnes Gerät eine große Verringerung darstellt.

Darlington-Konfigurationen

Es gibt hauptsächlich zwei Konfigurationstypen im Darlington-Transistor und diese sind

Die Schalterkonfiguration des Darlington-Transistors zeigt, dass die Kollektoranschlüsse der beiden Vorrichtungen mit dem Emitteranschluss des anfänglichen Transistors verbunden sind, der eine Verbindung mit der Basiskante der zweiten Transistorvorrichtung hat. Der Stromwert am Emitteranschluss des ersten Transistors bildet sich also, wenn der Eingangsstrom des zweiten Transistors ihn in den Ein-Zustand versetzt.

Der Eingangstransistor, der der erste ist, erhält sein Eingangssignal am Basisanschluss. Der Eingangstransistor wird allgemein verstärkt und dies wird verwendet, um die nächsten Ausgangstransistoren anzusteuern. Das zweite Gerät verstärkt das Signal und dies führt zu einem Maximalwert der Stromverstärkung. Eines der entscheidenden Merkmale des Darlington-Transistors ist seine maximale Stromverstärkung in Bezug auf das einzelne BJT-Gerät.

Neben der Fähigkeit maximaler Spannungs- und Stromschalteigenschaften ist der andere zusätzliche Vorteil die maximale Schaltgeschwindigkeit. Durch diesen Schaltvorgang kann das Gerät speziell für Wechselrichterschaltungen, Gleichstrommotoren, Beleuchtungskreise und Schrittmotorregelungszwecke verwendet werden.

Die Variation, die bei der Verwendung von Darlington-Transistoren als bei herkömmlichen Einzel-BJT-Typen bei der Implementierung des Transistors als Schalter zu berücksichtigen ist, besteht darin, dass die Eingangsspannung am Basis- und Emitterübergang höher sein muss, was für Bauelemente vom Siliziumtyp nahezu 1,4 V beträgt. B. wegen einer Reihenschaltung der beiden PN-Übergänge.

Einige der gängigen praktischen Anwendungen von Transistoren als Schalter

In einem Transistor kann, sofern kein Strom in der Basisschaltung fließt, kein Strom in der Kollektorschaltung fließen. Mit dieser Eigenschaft kann ein Transistor als Schalter verwendet werden. Der Transistor kann durch Wechseln der Basis ein- oder ausgeschaltet werden. Es gibt einige Anwendungen von Schaltkreisen, die von Transistoren betrieben werden. Hier habe ich NPN-Transistor betrachtet, um einige Anwendungen zu erklären, die Transistorschalter verwenden.

Lichtschalter

Die Schaltung ist so ausgelegt, dass ein Transistor als Schalter verwendet wird, um die Glühbirne in einer hellen Umgebung zu beleuchten und im Dunkeln auszuschalten Lichtabhängiger Widerstand (LDR) im potentiellen Teiler. Wenn die Umgebung dunkel ist Widerstand des LDR wird hoch. Dann wird der Transistor ausgeschaltet. Wenn der LDR dem hellen Licht ausgesetzt wird, fällt sein Widerstand auf einen geringeren Wert ab, was zu einer höheren Versorgungsspannung und einer Erhöhung des Basisstroms des Transistors führt. Jetzt wird der Transistor eingeschaltet, der Kollektorstrom fließt und die Glühlampe leuchtet auf.

Wärmebetätigter Schalter

Eine wichtige Komponente in der Schaltung eines wärmebetriebenen Schalters ist der Thermistor. Der Thermistor ist eine Art Widerstand das reagiert abhängig von der Umgebungstemperatur. Sein Widerstand steigt bei niedriger Temperatur und umgekehrt. Wenn dem Thermistor Wärme zugeführt wird, fällt sein Widerstand ab und der Basisstrom steigt an, gefolgt von einem größeren Anstieg des Kollektorstroms, und die Sirene bläst. Diese spezielle Schaltung eignet sich als Brandmeldeanlage .

Wärmebetätigter Schalter

Gleichstrommotorsteuerung (Treiber) bei hohen Spannungen

Angenommen, an den Transistor wird keine Spannung angelegt, dann wird der Transistor ausgeschaltet und es fließt kein Strom durch ihn. Daher das Relais bleibt im AUS-Zustand. Den Gleichstrommotor mit Strom versorgen wird von der normalerweise geschlossenen (NC) Klemme des Relais gespeist, sodass sich der Motor dreht, wenn sich das Relais im AUS-Zustand befindet. Das Anlegen einer Hochspannung an der Basis des Transistors BC548 bewirkt, dass der Transistor und die Relaisspule eingeschaltet werden.

Praktisches Beispiel

Hier erfahren wir den Wert des Basisstroms, der erforderlich ist, um einen Transistor vollständig in den EIN-Zustand zu versetzen, in dem die Last einen Strom von 200 mA benötigt, wenn der Eingangswert auf 5 V erhöht wird. Kennen Sie auch den Wert von Rb.

Der Basisstromwert des Transistors ist

Ib = Ic / β betrachte β = 200

Ib = 200 mA / 200 = 1 mA

Der Basiswiderstandswert des Transistors ist Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10^-3

Rb = 4,3 kΩ

Transistorschalter werden häufig in mehreren Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Anschließen von Strom mit hohem Strom oder hohem Wert von Spannungsgeräten wie Motoren, Relais oder Lichtern an den Minimalwert von Spannung, digitalen ICs oder in logischen Gattern wie UND-Gattern oder ODER. Wenn der vom Logikgatter gelieferte Ausgang + 5 V beträgt, während das zu regelnde Gerät möglicherweise 12 V oder sogar 24 V der Versorgungsspannung benötigt.

Oder die Last wie bei einem Gleichstrommotor muss möglicherweise durch kontinuierliche Impulse überwacht werden. Transistorschalter ermöglichen einen schnelleren und einfacheren Betrieb als herkömmliche mechanische Schalter.

Warum Transistor anstelle von Schalter verwenden?

Während der Implementierung eines Transistors anstelle eines Schalters reguliert bereits eine minimale Menge an Basisstrom einen höheren Laststrom in der Kollektorklemme. Bei Verwendung von Transistoren anstelle des Schalters werden diese Geräte mit Relais und Magneten unterstützt. Während in dem Fall, in dem höhere Ströme oder Spannungen geregelt werden sollen, Darlington-Transistoren verwendet werden.

Insgesamt sind nur wenige der Bedingungen gegeben, die beim Betrieb des Transistors als Schalter angewendet werden

• Wenn BJT als Schalter verwendet wird, muss es entweder unvollständig eingeschaltet oder vollständig eingeschaltet sein.
• Bei Verwendung eines Transistors als Schalter reguliert ein minimaler Wert des Basisstroms den erhöhten Kollektorlaststrom.
• Bei der Implementierung von Transistoren zum Schalten als Relais und Magnetspulen ist es besser, Schwungraddioden zu verwenden.
• Um größere Werte von Spannung oder Strömen zu regeln, arbeiten die Darlington-Transistoren bestenfalls.

Dieser Artikel enthält umfassende und klare Informationen zu Transistoren, Betriebsbereichen, Funktionsweise eines Schalters, Eigenschaften und praktischen Anwendungen. Das andere wichtige und verwandte Thema, das bekannt sein muss, ist das, was ist digitaler Logiktransistorschalter und seine Funktionsweise, Schaltplan?