Przełącznik tranzystorowy: PNP, Darlington, Logic and Applications
2025-05-09 36269

Tranzystory mogą funkcjonować jako przełączniki lub wzmacniacze.Używane jako przełączniki kontrolują, czy przepływa elektryczność, czy w obwodzie.Ta akcja przełączania jest używana na wielu urządzeniach, od małych urządzeń po duże maszyny.W tym artykule wyjaśnimy, w jaki sposób tranzystory, takie jak typy PNP, pary Darlington i cyfrowe tranzystory logiki, działają jako interruterzy. Włączają się i wyłączają, ich stany robocze i miejsce, w którym są używane.

Katalog

Rysunek 1. Tranzystor jako przełączniki

Używanie tranzystora jako przełącznika

Tranzystor jest urządzeniem półprzewodnikowym z trzema zaciskami: podstawą, kolektorem i emiterem.Może funkcjonować jako wzmacniacz lub przełącznik elektroniczny.Działając jako przełącznik, kontroluje, czy prąd elektryczny przepływa przez obwód, aktywując lub skutecznie wyłączając obwód. Kontynuowanie większego wyjścia z mniejszym wejściem nazywa się „wzmocnieniem prądu”.

W elektronice cyfrowej tranzystory umożliwiają obwodom reprezentowanie stanów binarnych - w 1, takie jak dwa wspólne typy bipolarnych tranzystorów połączenia (BJT) są używane do przełączania aplikacji:

Rysunek 2. Rodzaje tranzystora

• Tranzystor NPN: Terminale oznaczone podstawą (B), kolektorem (C) i emiter (E).

• Tranzystor PNP: podstawa (B), kolektor (C) i emiter (E).

Główną różnicą między nimi jest kierunek przepływu prądu i niezbędnego napięcia na zacisku podstawowym w celu aktywowania przełączania.

Tranzystorowe regiony operacyjne

Ryc. 3. Tranzystorowy region operacyjny

Na schemacie czerwony obszar wyłożony u dołu oznacza obszar wycięty tranzystor.Podczas gdy obszar połączony na czarno po lewej oznacza obszar nasycenia.

Rycina 4. Cięcie regionu operacyjnego

Obszar cięcia

W obszarze cięcia tranzystor działa jako otwarty przełącznik.Dzieje się tak, gdy napięcie wejściowe (VIN) wynosi 0 V, lądowanie napięcia podstawowego i emitera podstawowego (VBE) jest poniżej 0,7 V, podstawowy bieżnik odwrotny oraz złącze podstawowe i kolektor podstawowy.Jest to uprzedzenie do przodu bez przepływów strumienia podstawowego, a tranzystor pozostaje poza domem.

W rezultacie prąd kolektora (IC) wynosi zero i brak strumienia kolektora do nadawcy.Utrzymuje to napięcie wyjściowe (VIT) w VCC, ponieważ nie ma spadku napięcia w rezystorze obciążenia (RL).Obciążenie jest odłączone od ziemi.

W przypadku tranzystora PNP nadawca musi mieć ujemny potencjał, aby podstawa mogła utrzymać odwrotność odchylenia.

Mówiąc najprościej, tranzystor blokuje prąd, utrzymując moc wyjściową w napięciu mocy, zachowując się jak otwarty przełącznik.

Region nasycenia

W obszarze nasycenia tranzystor jest stronniczy, aby umożliwić maksymalny przepływ prądu.Tutaj elementy podstawowe i połączenia kolekcjonerów bazowych są stronnicze.Powoduje to duży prąd kolektora, zmniejszając napięcie kolektora VCE do jego najniższej wartości.

W tym momencie warstwa wyczerpania zmniejsza się, a tranzystor zachowuje się jako zamknięty przełącznik.Tranzystor jest uważany za w pełni połączony, zapewniając ścieżkę niskiej oporu z kolekcjonera do nadawcy i umożliwiając maksymalny prąd.

Rycina 5. Region nasycenia

W powyższym obwodzie, a Tranzystor NPN działa jako przełącznik. Gdy napięcie wejściowe VIN jest stosowane do podstawy przez RB, a VBE przekracza 0,7 V., Tranzystor obraca się NA.

Duży prąd kolekcjonera IC przepływa przez RL, przyciągając głos wyjściowy blisko 0 V.. Dzieje się tak, ponieważ tranzystor zapewnia Przewodząca ścieżka na ziemię, Zmniejszenie napięcia u kolektora.

W tym stanie tranzystor pozwala prądowi swobodnie przepływać z kolekcjonera do nadawcy.W przypadku tranzystora PNP nadawca powinien być bardziej pozytywny niż baza jazdy.Ten tryb jest przydatny do wyzwalania obciążeń uziemienia, kontrolowania połączenia zewnętrznego.

Rysunek 6. Obwód tranzystorowy NPN używany jako przełącznik

W powyższym obwodzie tranzystor NPN na przemian (taki jak dioda LED).Tutaj VCC = +5 V i VIN na przemian między +5 V i 0V.RB ogranicza prąd podstawowy, a RC kontroluje prąd do obciążenia.

Gdy VIN =+5 V, podstawowym złączem emitera jest VBE z odchyleniem do przodu> 0,7 V, łącząc tranzystor.Satuter Tranzystor i prąd przepływa RC i tranzystor na ziemię, oświetlając diodę LED.

Gdy VIN = 0 V, tranzystor wyłącza się, przerywa przepływ prądu, a dioda LED zamknięta.

Użyj tranzystora jako przełącznika, wkładu w tryb cyfrowy—E (nasycone) lub wyłączone (cięte).Tranzystor nie wzmacnia VIN, po prostu działa jako przełącznik.Po osiągnięciu nasycenia wzrost prądu podstawowego nie zwiększy IC.Tranzystor działa jak Zamknięty przełącznik mechaniczny SPST.

Obliczanie rezystora podstawowego do nasycenia

Aby upewnić się, że tranzystor całkowicie się odwróci NA (Tryb nasycenia), musimy zapewnić wystarczający prąd podstawowy.Jeśli prąd podstawowy jest zbyt mały, tranzystor może nie nasycić, powodując niepełne przełączanie.Aby uzyskać odpowiedni prąd podstawowy, obliczamy rezystor podstawowy (RB).

Przejrzyjmy przykład.

Mamy tranzystor NPN na przemian obciążenia.Szczegóły obwodu to:

• Napięcie zasilania (VCC) = 12 V

• Rezystor obciążenia (RL) = 100 Ω

• Obecny wzmocnienie tranzystora (HFE) = 100

• Spadek napięcia emitera bazowego (VBE) = 0,7 V

• Chcemy, aby tranzystor nasycił

Musimy znaleźć RB.

Krok 1: Znajdź prąd kolektora (CI)

Najpierw oblicz prąd kolekcjonera (IC), który przepływa przez obciążenie:

Tak więc IC = 120 mA

Krok 2: Znajdź niezbędny prąd podstawowy (IB)

W nasyceniu sprawiamy, że IB jest nieco większy niż minimalny prąd podstawowy (w celu zapewnienia nasycenia).Minimalny prąd podstawowy:

Aby zapewnić nasycenie, podwoimy prąd podstawowy:

Krok 3: Oblicz rezystor podstawowy (RB)

Teraz oblicz RB za pomocą prawa Ohma:

Napięcie w RB to:

Przyjąć VIN = 5 V.:

Następnie:

Wybraliśmy zbliżoną do tego standardową wartość rezystora, taką jak 1,8 kΩ.

Ostateczna odpowiedź: Użyj RB = 1,8kΩ Aby zapewnić nasycenie tranzystora.

Ten przykład pokazuje, jak obliczyć rezystor podstawowy, aby zapewnić całkowite przełączanie tranzystora.Nieznakomij rozmiar prądu podstawowego, aby upewnić się, że tranzystor wchodzi w nasycenie i działa jako zamknięty przełącznik.Następnie zbadamy, w jaki sposób te obliczenia różni się przy użyciu tranzystora PNP jako przełącznika.

Tranzystor PNP jako przełącznik

Mikrokontrolery i obwody logiczne mogą bezpośrednio wywołać małe obciążenia.Ale gdy obciążenie wymaga więcej prądu niż te obwody mogą zapewnić, tranzystor służy do naprzemienności lub wzmacniania prądu.Tranzystor PNP jest przydatny w tych przypadkach, szczególnie gdy mikrokontroler może tylko „zatopić” prąd podstawowy.

W tej konfiguracji tranzystor PNP kontroluje prąd poprzez aktywację ścieżki emitującego i kolektora wysokiej impedancji (dezaktywowany) lub przewodnika (ON).Tranzystor PNP jest wytwarzany przez umieszczenie dwóch materiałów typu P wokół materiału typu N.

Rysunek 7. Tranzystor PNP na przemian obciążenia

Obwód pokazuje tranzystor PNP na przemian obciążenia:

• Emiter (E) łączy się z +12 V.

• Podstawa (b) łączy się przez rezystory R1 i R2 z Ziemią przez przełącznik.

• Kolektor (c) łączy się z obciążeniem, które jest uziemione.

Gdy przełącznik jest zamknięty (skrót od ziemi), niewielki łańcuch podstawowy (IB) przepływa z nadawcy przez R2 i R1 do ziemi.Ten prąd podstawowy łączy tranzystor, umożliwiając większy kwiat prądowy do kolektora, łącząc obciążenie.

Gdy przełącznik jest otwarty, bez przepływów prądu podstawowego, a tranzystor pozostaje poza tym, przecinając prąd do obciążenia.

Ta konfiguracja powoduje, że tranzystor działa jako pojedynczy pasek przekąsek (SPST), kontrolowany przez podstawę u podstawy.

Aby tranzystor PNP rozjaśnił się, nadawca musi być bardziej pozytywny niż podstawa.Zastosowanie niskiego sygnału (blisko zera) do podstawy umożliwia przepływ prądu do emitera podstawowego, który uruchamia znacznie większy prąd emitenta kolekcjonera.

Działanie przełączające jest podobne do tranzystora NPN, ale z kierunkiem prądu wstecznego.Zamiast pozyskiwać prąd u podstawy (takiego jak NPN), PNP tonie prąd podstawowy w kierunku ziemi.

Podstawa jest zwykle negatywny w odniesieniu do nadawcy.Oo staje się nieco negatywną w porównaniu do nadawcy, tranzystor łączy i przepływa prąd przez kolektor do obciążenia.

Darlington Par Switch

Gdy pojedynczy tranzystor nie jest wystarczający do zmiany obciążenia wysokiego prądu, stosuje się specjalną konfigurację o nazwie para Darlington.

Tranzystor Darlington powstaje poprzez połączenie dwóch transystorów dwubiegunowych (BJTS) w sposób, w jaki prąd wzmacniany przez pierwszy tranzystor jest dalej wzmacniany przez drugi.To układ jest przydatny, gdy wzmocnienie pojedynczego tranzystora nie jest wystarczające, aby naprzemiennie niezbędne napięcie obciążenia lub prąd.W tej konfiguracji mały sygnał wejściowy do pierwszego tranzystora może kontrolować znacznie większy prąd przez drugi tranzystor-ideał do przełączania aplikacji wymagających większego wzmocnienia.

Ten typ przełącznika tranzystorowego jest powszechnie stosowany, gdy wzmocnienie CC pojedynczego tranzystora jest zbyt niskie, aby skutecznie naprzemiewać obciążenie.Konfiguracja Darlington wykorzystuje mały wejściowy BJT do kontrolowania przełączania większego wyjściowego BJT, umożliwiając niezawodne przełączanie obciążenia o wyższym prądu.

Dwa tranzystory są połączone w tej parie Darlington, aby uzyskać wyższy ogólny wzmocnienie prądu.W tej konfiguracji oba tranzystory to typy NPN lub PNP.Bieżący wzmocnienie pierwszego tranzystora znalewa się z bieżącym wzmocnieniem drugiego tranzystora, powodując, że para działa jako jedyny tranzystor o znacznie większym wzmocnieniu.

Rysunek 8. Tranzystor przełącznika Darlington

Schemat obwodu pokazuje przełącznik tranzystorowy Darlington przy użyciu dwóch tranzystorów NPN (TR₁ i TR₂).Pierwsza podstawa tranzystorowa (TR₁) jest połączona rezystorem RB z VIN napięcia wejściowego.Klucz służy do kontrolowania sygnału wejściowego.Gdy przełącznik zamyka się, mały łańcuch przepływa do podstawy TR₁ jest wzmacniany przez TR₁ i wysyłany do podstawy, co dodatkowo wzmacnia prąd, aby uruchomić rezystor obciążenia RL podłączony do kolektora TR₂.Emiter tr₂ jest podłączony do ziemi.

Ta konfiguracja zapewnia, że ​​nawet bardzo mały prąd wejściowy u podstawy TR₁ może spowodować duży prąd kolekcjonerski przez TR₂, umożliwiając obwodzie przełączanie wysokich łańcuchów za pomocą małego sygnału sterowania.

. Całkowity wzmocnienie prądu (βTotal) Pary Darlington jest wynikiem obecnych zysków każdego tranzystora:

Oznacza to, że wzmocnienie przełącznika tranzystorowego Darlington jest znacznie większe niż pojedynczy tranzystor.

W jednym NPN Darlington Switch Tranzystor , terminale kolektora obu tranzystorów są bezpośrednio połączone.Podstawa drugiego tranzystora (TR₂) jest połączona z emiterem pierwszego tranzystora (TR₁).To połączenie umożliwia zasilanie prądu przez TR₁ u podstawy TR₂, umożliwiając dodatkową amplifikację.

Aplikacje tranzystorowe jako przełącznik

Tranzystory są szeroko stosowane jako przełączniki w obwodach elektronicznych, umożliwiając kontrolowane przełączanie prądu elektrycznego w różnych zastosowaniach.

Przełączanie diod LED

Tranzystor może włączyć lub dezaktywować diodę LED kontrolną przepływu prądu.Po przyłożeniu małego łańcucha do podstawy tranzystor prowadzi, umożliwiając przechodzenie prądu przez diodę LED, która jest obecna, tranzystor blokuje prąd, a dioda LED pozostanie wyłączone.Umożliwia to automatyczne lub programowalne sterowanie LED.

Kontrolowanie przekaźników

Tranzystor może kontrolować aktywację przekaźnika lub dezaktywację jego cewki.Mały prąd podstawowy pozwala tranzystorowi zasilić cewkę przekaźnika, zamykając jej styki i aktywując podłączone urządzenie o dużej mocy, takie jak silnik lub alarm.Oparta na prądu usuwanie wyłącza cewkę, otwierając kontakty i wyłączając urządzenie.Ta konfiguracja pozwala obwodom o niskiej mocy kontrolować wyższą moc.

Operatywne silniki DC

Tranzystory mogą włączać lub dezaktywować silniki CC i kontrolować ich prędkość.Podstawowa aplikacja prądu włącza silnik, umożliwiając prądowy przepływ.Prędkość jest kontrolowana łączeniem i szybko wyłączając tranzystor, regulując ilość mocy dociera do silnika.Ta metoda jest stosowana w sterownikach robotyki, automatyzacji i silników.

Przełączanie aktywowane światłem

Sparowany tranzystor z opornikiem zależnym od światła (LDR) może automatycznie naprzemiennie światło oparte na blasku.W jasnym świetle LDR utrzymuje niskie napięcie podstawowe, utrzymując tranzystor.W ciemności LDR zwiększa opór, zwiększając napięcie podstawowe i aktywując tranzystor, który ponownie łączy światło, gdy wzrasta połysk.Jest to przydatne w oświetleniu zewnętrznym i automatycznym.

Przełączanie aktywowane temperaturą

Tranzystor w połączeniu z termistorem może przełączać urządzenia na podstawie temperatury.W zakresie, w jakim temperatura rośnie, oporność termiczna spada, zwiększając napięcie podstawowe i aktywując tranzystor w celu aktywacji wentylatora lub alarmu.Gdy temperatura spadnie, tranzystor wyłącza się, przerywając urządzenie.Ten system jest używany do kontroli i ochrony termicznej.

Dodatkowe aplikacje

Tranzystory działają również jako przełączniki w cyfrowych obwodach logicznych, systemach zarządzania akumulatorami, alarmom napędzanym czujnikom i obwodom wyciszania audio, umożliwiając zautomatyzowaną kontrolę na różnych urządzeniach elektronicznych.

Przełącznik tranzystorowy vs. przełącznik mechaniczny

Mechaniczne tranzystory i przełączniki kontrolują obwody elektryczne, ale działają inaczej i odgrywają różne role w nowoczesnej elektronice.

Odwołanie	Tranzystor Do wymiany	Mechanik Do wymiany
Prędkość przełączania	Bardzo szybki (mikrosekunda lub nanosekunda)	Powolne (milisekund lub więcej)
Ruchome części	Bez ruchomych części	Ma ruchome części
Nosić	Brak zużycia mechanicznego	Zademontować zużycie
Rozmiar	Bardzo mały, zwarty	Większy rozmiar
Metoda kontroli	Kontrolowane elektronicznie	Kontrolowane ręcznie lub mechanicznie
Moc do działania	Wymaga niskiego prądu wejściowego	Wymaga siły fizycznej
Hałas	Cicha operacja	Dźwięk kliknięcia dźwięku
Częstotliwość przełączania	Wysoka częstotliwość przełączania	Niska częstotliwość przełączania
Integracja	Można zintegrować z ICS i PCB	Wymaga zewnętrznej instalacji
Niezawodność	Wysoka niezawodność w czasie	Niezawodność maleje wraz z użyciem

Wniosek

Wiedząc, jak działają tranzystory jako przełączniki, pomaga nam tworzyć lepsze obwody elektroniczne.Jeśli prosty tranzystor, typ PNP lub para Darlington, każdy może kontrolować energię elektryczną w użyteczny sposób.Możemy użyć ich do oświetlenia i wyłączenia świateł, silników sterujących lub zasilania innych urządzeń. Smarter i bardziej wydajny.