Prepínač tranzistora: PNP, Darlington, logika a aplikácie
2025-05-09 14079

Tranzistory môžu fungovať ako spínače alebo zosilňovače.Ak sa používajú ako spínače, ovládajú, či tečie elektrina alebo v obvode.Táto prepínacia akcia sa používa na mnohých zariadeniach, od malých zariadení po veľké stroje.V tomto článku vysvetlíme, ako tranzistory, ako sú typy PNP, páry Darlingtonu a digitálne logické tranzistory, pôsobia ako prerušovače. Zapínajú a vypínajú ich pracovné stavy a kde sa používajú.

Katalóg

Obrázok 1. Tranzistor ako prepínače

Pomocou tranzistora ako prepínača

Tranzistor je polovodičové zariadenie s tromi terminálmi: základňa, zberateľ a emitor.Môže fungovať ako zosilňovač alebo elektronický spínač.Ako prepínač, ovláda, ak elektrický prúd preteká obvodom, aktivuje alebo účinne deaktivuje obvod. Kontrola väčšieho výstupu s menším vstupom sa nazýva „prúdový zisk“.

V digitálnej elektronike tranzistory umožňujú obvody reprezentovať binárne stavy - v 1, napríklad dva bežné typy bipolárnych spojovacích tranzistorov (BJT), sa používajú na prepínanie aplikácií:

Obrázok 2. Typy tranzistora

• NPN tranzistor: terminály označené základňou (B), zberateľom (C) a emitorom (E).

• Tranzistor PNP: Base (B), Collector (C) a Emitor (E).

Hlavný rozdiel medzi nimi je v smere prúdu a potrebné napätie v základnom termináli na aktiváciu prepínania.

Tranzistorové prevádzkové regióny

Obrázok 3. Tranzistorový prevádzkový región

V diagrame je červená oblasť lemovaná na spodnej časti označená regiónom Tranzistor.Zatiaľ čo oblasť spojená čiernou farbou na ľavej strane označuje saturačnú oblasť.

Obrázok 4. Rezanie prevádzkovej oblasti

Rezanie

V reznej oblasti tranzistor pôsobí ako otvorený spínač.K tomu dochádza, keď je vstupné napätie (VIN) 0V, pristátie základného a základného emitorového napätia (VBE) je pod 0,7 V, základný reverzný pól a základné spojenia a základný kolektor.Je to zaujatosť vpred bez tokov základného prúdu a tranzistor zostáva vonku.

Výsledkom je, že prúd kolektora (IC) je nula a žiadny zberateľský tok odosielateľa.Toto udržiava výstupné napätie (VIT) vo VCC, pretože v odporu zaťaženia (RL) nedochádza k poklesu napätia (RL).Zaťaženie je odpojené od zeme.

Pre tranzistor PNP musí mať odosielateľ negatívny potenciál, aby základňa udržala spätnú zaujatosť.

Jednoducho povedané, tranzistor blokuje prúd a udržiava výstup v napájaní napätia a správa sa ako otvorený prepínač.

Nasýtenie

V saturačnej oblasti je tranzistor skreslený, aby sa umožnil maximálny prúd prúdu.Tu sú základné položky a križovatky základných zberateľov skreslené vpred.To spôsobuje veľký zberateľský prúd, čím sa zníži napätie kolektora VCE na najnižšiu hodnotu.

V tomto bode sa vrstva vyčerpania znižuje a tranzistor sa správa ako uzavretý prepínač.Tranzistor sa považuje za úplne prepojený, poskytuje nízku odolnosť od kolektora k odosielateľovi a umožňuje prejsť maximálny prúd.

Obrázok 5. Sýti

V obvode vyššie, a NPN tranzistor funguje ako prepínač.Kedy sa vstupné napätie VIN aplikuje na základňu cez RB a VBE presahuje 0,7 V, tranzistor sa točí Na.

Veľký prúd zberateľa IC preteká cez RL a vytiahne hlasovanie o výstupnom napätí takmer 0V. To sa deje, pretože tranzistor poskytuje a Vodivosť k zemi, zníženie napätia v kolektore.

V tomto stave tranzistor umožňuje, aby prúd voľne prúdil z kolektora k odosielateľovi.Pre tranzistor PNP by mal byť odosielateľ pozitívnejší ako základ pre jazdu.Tento režim je užitočný na spustenie pozemných zaťažení a externe ovládať pripojenie.

Obrázok 6. Tranzistorový obvod NPN použitý ako spínač

Vo vyššie uvedenom obvode tranzistor NPN striedal záťaž (napríklad LED).Tu sa vcc = +5V a VIN striedajú medzi +5V a 0V.RB obmedzuje základný prúd a RC riadi prúd na záťaž.

Keď VIN =+5V, križovatka základnej emitoru je VBE s predprúdom> 0,7 V, spájajúca tranzistor.Satuter tranzistor a prúdové toky RC a tranzistora na zem, osvetľujú LED.

Keď Vin = 0V, tranzistor sa vypne, prerušte prúd prúdu a LED vypnutie.

Použite tranzistor ako prepínač ho uvádza v a digitálny režim—E (nasýteného) alebo vypnutia (rez).Tranzistor nezosilňuje VIN, jednoducho funguje ako prepínač.Po dosiahnutí saturácie zvýšenie základného prúdu nezvýši IC.Tranzistor koná ako Mechanický spínač uzavretý SPST.

Výpočet základného odporu pre saturáciu

Aby sa zabezpečilo, že tranzistor sa úplne otočí Na (Režim saturácie), musíme zabezpečiť dostatočný základný prúd.Ak je základný prúd príliš malý, tranzistor nemusí nasýtiť, čo spôsobuje neúplné prepínanie.Na získanie pravého základného prúdu vypočítame základný odpor (RB).

Prejdeme príkladom.

Máme tranzistor NPN, ktorý striedal záťaž.Podrobnosti o obvode sú:

• napájacie napätie (VCC) = 12V

• Načítať rezistor (RL) = 100Ω

• Aktuálny zisk tranzistora (HFE) = 100

• Kvapka napätia základného emitora (VBE) = 0,7 V

• Chceme, aby tranzistor nasýtil

Potrebujeme nájsť RB.

Krok 1: Nájdite prúd zberateľa (CI)

Najskôr vypočítajte prúd zberateľa (IC), ktorý preteká zaťažením:

Takže IC = 120 mA

Krok 2: Nájdite potrebný základný prúd (IB)

Pri saturácii urobíme IB o niečo väčšie ako minimálny základný prúd (na zabezpečenie saturácie).Minimálny základný prúd:

Aby sme zaistili saturáciu, zdvojnásobíme základný prúd:

Krok 3: Vypočítajte základný rezistor (RB)

Teraz vypočítajte RB pomocou Ohmovho zákona:

Napätie v RB je:

Prevziať Vin = 5V:

Potom:

Vybrali sme štandardnú hodnotu odporu, ako je napríklad 1,8 kΩ.

Konečná odpoveď: Použitie RB = 1,8 kΩ Na zabezpečenie nasýtenia tranzistora.

Tento príklad ukazuje, ako vypočítať základný odpor, aby sa zabezpečilo úplné prepínanie tranzistora.Mierne nadmerne nadmerne nadmerne zaistite, aby tranzistor vstupoval do saturácie a pôsobí ako uzavretý spínač.Potom preskúmame, ako sa tento výpočet líši pri použití tranzistora PNP ako prepínača.

Tranzistor PNP ako prepínač

Mikrokontroléry a logické obvody môžu spustiť iba malé zaťaženie priamo.Ale keď zaťaženie potrebuje viac prúdu, ako môžu poskytnúť tieto obvody, tranzistor sa používa na striedanie alebo zosilnenie prúdu.Tranzistor PNP je v týchto prípadoch užitočný, najmä ak mikrokontrolér dokáže iba „ponoriť“ základný prúd.

V tejto konfigurácii Tranzistor PNP riadi prúd aktiváciou emitingovej cesty a kolektora s vysokou impedanciou (deaktivovaný) alebo vodiča (ON).Tranzistor PNP sa vyrába umiestnením dvoch materiálov typu P okolo materiálu typu N.

Obrázok 7. PNP tranzistor striedajúci zaťaženie

Obvod zobrazuje tranzistor PNP, ktorý striedal záťaž:

• Emitor (E) sa pripája k +12V.

• Základ (B) pripája sa cez odpor R1 a R2 so zemou cez spínač.

• Zberateľ (C) sa pripája k zaťaženiu, ktoré je uzemnené.

Keď je spínač uzavretý (krátky k zemi), vyteká z odosielateľa cez R2 a R1 malý základný reťazec (IB) do zeme.Tento základný prúd spája tranzistor a umožňuje zberateľovi väčšieho prúdového kvetu kvetu, ktorý spája zaťaženie.

Keď je spínač otvorený, bez tokov základného prúdu a tranzistor zostáva vonku, čím sa prúdi na zaťaženie.

Táto konfigurácia spôsobuje, že tranzistor pôsobí ako jeden občerstvenie (SPST), ovládaný základňou na základni.

Aby sa tranzistor PNP rozsvietil, odosielateľ musí byť pozitívnejší ako základ.Aplikácia nízkeho signálu (blízko nuly) na základňu umožňuje prúd prúdu do základného emiča, ktorý spúšťa oveľa väčší prúd emitenta zberateľa.

Prepínacia akcia je podobná tranzistora NPN, ale so smerom spätného prúdu.Namiesto získania prúdu na základni (ako je NPN), PNP klesá základný prúd smerom k zemi.

Základňa je zvyčajne negatívne vo vzťahu k odosielateľovi.Oo urobte základňu trochu negatívnu v porovnaní so odosielateľom, tranzistor spája a preteká prúdom cez kolektor k zaťaženiu.

Darlington Par Switch

Ak jeden tranzistor nestačí na prepnutie vysokého aktuálneho zaťaženia, používa sa špeciálna konfigurácia s názvom Darlington Pair.

Tranzistor Darlington je tvorený pripojením dvoch bipolárnych tranzistorov križovatky (BJT) spôsobom, že súčasný zosilnený prvým tranzistorom je druhý ďalej zosilnený.Toto usporiadanie je užitočné, keď zisk jedného tranzistora nie je dostatočný na striedanie potrebného napätia alebo prúdu zaťaženia.V tejto konfigurácii môže malý vstupný signál do prvého tranzistora ovládať oveľa väčší prúd cez druhý tranzistor-ideálny na prepínanie aplikácií, ktoré si vyžadujú väčší zisk.

Tento typ tranzistorového spínača sa bežne používa, keď je zisk CC jedného tranzistora príliš nízky na to, aby účinne striedal zaťaženie.Konfigurácia Darlingtonu používa malý vstupný BJT na ovládanie prepínania väčšieho výstupu BJT, čo umožňuje spoľahlivé prepínanie zaťaženia s vyšším prúdom.

V tomto páre Darlingtonu sú spojené dva tranzistory, aby sa získal väčší všeobecný prúd.V tejto konfigurácii sú obe tranzistory typy NPN alebo PNP.Súčasný zisk prvého tranzistora sa vynásobí súčasným ziskom druhého tranzistora, čo spôsobuje, že pár pôsobí ako jediný tranzistor s oveľa väčším ziskom.

Obrázok 8. Tranzistor Darlington Switch

Schéma zapojenia zobrazuje prepínač Darlington Transistor s použitím dvoch tranzistorov NPN (TR₁ a TR₂).Prvá tranzistorová základňa (TR₁) je spojená odporom RB k vstupnému napätiu VIN.Kľúč sa používa na riadenie vstupného signálu.Keď sa spínač uzavrie, malá reťazová tečie na základňu TR₁ zosilní TR₁ a odoslaná do basetr₂, čo ďalej zosilňuje prúd, aby spustil odpor s zaťažením RL pripojeného k kolektoru TR₂.Emitor TR₂ je spojený so zemou.

Táto konfigurácia zaisťuje, že aj veľmi malý vstupný prúd v základni TR₁ môže mať za následok veľký zberateľský prúd cez TR₂, čo umožňuje obvodu prepínať vysoké reťazce pomocou malého riadiaceho signálu.

Ten Celkový zisk prúdu (βtotal) z páru Darlingtonu je produktom súčasných ziskov každého tranzistora:

To znamená, že zisk prepínača Darlington Tranzistor je výrazne väčší ako jeden tranzistor.

V jednom NPN Darlington Switch Tranzistor , zberateľské terminály oboch tranzistorov sú priamo pripojené.Základ druhého tranzistora (TR₂) je pripojený k žiaričke prvého tranzistora (TR₁).Toto pripojenie umožňuje, aby sa súčasný zosilnil TR₁ kŕmením na spodnej časti TR₂, čo umožňuje ďalšie zosilnenie.

Tranzistorové aplikácie ako prepínač

Tranzistory sa široko používajú ako spínače v elektronických obvodoch, čo umožňuje prepínanie elektrického prúdu v rôznych aplikáciách.

Prepínanie LED

Tranzistor sa môže zapnúť alebo deaktivovať LED riadiac prúdový tok.Keď sa na základňu aplikuje malý reťazec, tranzistor vedie, čo umožňuje prúdu prejsť cez LED LED, ktorý je prítomný, tranzistor blokuje prúd a LED LED zostanú vypnuté.To umožňuje automatické alebo programovateľné riadenie LED.

Kontrolné relé

Tranzistor môže ovládať relé aktiváciu alebo deaktiváciu jeho cievky.Malý základný prúd umožňuje tranzistorovi napájať relé cievku, zatvárať jeho kontakty a aktivovať pripojené vysoko napájané zariadenie, napríklad motor alebo alarm.Odstránenie prúdu založené na prúdení deaktivuje cievku, otvára kontakty a vypína zariadenie.Táto konfigurácia umožňuje nízko napájacie obvody ovládať vyšší výkon.

Prevádzkové DC motory

Tranzistory sa môžu zapnúť alebo deaktivovať motory CC a riadiť svoju rýchlosť.Aplikácia základného prúdu zapína motor, čo umožňuje prúdový tok.Rýchlosť je ovládaná pripájaním a rýchlo deaktivácia tranzistora, čím sa nastaví množstvo energie, ktoré dosiahne motor.Táto metóda sa používa v robotike, automatizácii a ovládačoch motora.

Prepínanie svetla

Spárovaný tranzistor s ľahkým odporom závislým od odporu (LDR) môže automaticky striedať svetlo na základe lesku.V jasnom svetle LDR udržuje základné napätie nízke, čím sa tranzistor udržiava von.V tme LDR zvyšuje odpor, zvyšuje základné napätie a aktivuje tranzistor, ktorý znova spája svetlo, keď sa lesk zvyšuje.Je to užitočné pri externom a automatickom osvetlení.

Prepínanie aktivované teplotou

Tranzistor kombinovaný s termistorom môže prepínať zariadenia na základe teploty.V rozsahu, v akom sa teplota zvyšuje, klesá odporový odpor, zvyšuje základné napätie a aktivuje tranzistor na aktiváciu ventilátora alebo alarmu.Keď teplota klesne, tranzistor sa vypne a preruší zariadenie.Tento systém sa používa na riadenie a tepelnú ochranu.

Ďalšie aplikácie

Tranzistory tiež pôsobia ako prepínače v digitálnych logických obvodoch, systémoch správy batérií, alarmov zameraných na senzory a audio umlčovacie obvody, čo umožňuje automatizované ovládanie rôznych elektronických zariadení.

Tranzistorový prepínač vs. mechanický spínač

Mechanické tranzistory a spínače riadia elektrické obvody, ale pracujú inak a hrajú rôzne úlohy v modernej elektronike.

Príťažlivosť	Tranzistor Nahradiť	Mechanik Nahradiť
Prepínanie rýchlosti	Veľmi rýchle (mikrosekundové alebo nanosekundy)	Pomaly (milisekundy alebo viac)
Pohyblivé časti	Bez pohyblivých častí	Má pohyblivé časti
Obliecť sa	Žiadne mechanické opotrebenie	Podlieha opotrebovaniu
Veľkosť	Veľmi malé, kompaktné	Väčšia veľkosť
Metóda kontroly	Elektronicky riadený	Ručne alebo mechanicky ovládané
Sila na prevádzku	Vyžaduje nízky vstupný prúd	Vyžaduje fyzickú silu
Hluk	Tichá operácia	Zvukový kliknite na zvuk
Frekvencia prepínania	Vysoká frekvencia prepínania	Nízka prepínajúca frekvencia
Integrácia	Môžu byť integrované do ICS a PCB	Vyžaduje externú inštaláciu
Spoľahlivosť	Vysoká spoľahlivosť v priebehu času	Spoľahlivosť klesá s použitím

Záver

Vedieť, ako tranzistory fungujú, pretože prepínače nám pomáha vytvárať lepšie elektronické obvody.Ak jednoduchý tranzistor, typ PNP alebo pár Darlingtonu, každý môže ovládať elektrinu užitočnými spôsobmi.Môžeme ich použiť na osvetlenie a vypnutie svetiel, ovládacích motorov alebo kŕmenie iných zariadení.