Funcionament del transistor com a interruptor

En aquest tutorial sobre transistors, coneixerem el funcionament d’un transistor com a commutador. La commutació i l'amplificació són les dues àrees d'aplicació dels transistors i el transistor, ja que un commutador és la base de molts circuits digitals. Aprendrem diferents modes de funcionament (actiu, saturació i tall) d’un transistor, com funciona un transistor com a commutador (NPN i PNP) i alguns circuits d’aplicació pràctics que utilitzen el transistor com a commutador. de transistorsMode actiuMode de tallMode de saturacióTransistor com a commutadorNPN Transistor com a commutadorExemple de transistor NPN com a commutadorPNP Transistor com a commutadorExemple de transistor PNP com a commutador dispositiu semiconductor de tres terminals, que s'utilitza sovint en operacions d'amplificació i commutació de senyals. Com a un dels dispositius electrònics significatius, el transistor ha estat utilitzat en una enorme gamma d’aplicacions com ara sistemes incrustats, circuits digitals i sistemes de control. Podeu trobar transistors tant en dominis digitals com analògics, ja que s’utilitzen àmpliament per a diferents usos d’aplicacions, com ara circuits de commutació. , circuits amplificadors, circuits d’alimentació, circuits lògics digitals, reguladors de tensió, circuits oscil·ladors, etc. Aquest article es concentra principalment en l’acció de commutació del transistor i dóna una breu explicació del transistor com a interruptor. principals famílies de transistors: transistors d’unió bipolar (BJT) i transistors d’efecte de camp (FET). El transistor de connexió bipolar o simplement BJT és un dispositiu semiconductor de tres capes, tres terminals i dues unions. Consisteix en dues unions PN acoblades esquena-esquena amb una capa mitjana comuna. Sempre que diem el terme "transistor", sovint es refereix a BJT. És un dispositiu controlat per corrent, on el corrent de sortida està controlat pel corrent d’entrada. El nom bipolar indica que dos tipus de portadors de càrrega, és a dir, els electrons i els forats condueixen el corrent al BJT, on els forats són portadors de càrrega positiva i els electrons són portadors de càrrega negativa. El transistor té tres regions, és a dir, base, emissor i col·lector. L’emissor és un terminal fortament dopat i emet electrons a la base. El terminal base està lleugerament dopat i fa passar els electrons injectats per l’emissor al col·lector. El terminal del col·lector està moderadament dopat i recull electrons de la base. Aquest col·lector és gran en comparació amb les altres dues regions, de manera que pot dissipar més calor. Els BJT són de dos tipus: NPN i PNP. Tots dos funcionen de la mateixa manera, però es diferencien pel que fa a la polaritat i la polaritat de l'alimentació. En el transistor PNP, el material de tipus N està intercalat entre dos materials de tipus P, mentre que en el cas del transistor NPN, el material de tipus P està intercalat entre dos materials de tipus N. Aquests dos transistors es poden configurar en diferents tipus, com ara un emissor comú i un col·lector comú. i configuracions de base comuns. Si esteu buscant treballar amb MOSFET com a commutador, primer apreneu els conceptes bàsics de MOSFET. Modes operatius dels transistors Depenent de les condicions de polarització com endavant o invers, els transistors tenen tres modes principals de funcionament: tall, actiu i regions de saturació. Mode actiu En aquest mode, el transistor s’utilitza generalment com a amplificador de corrent. En el mode actiu, dues unions estan esbiaixades de manera diferent, cosa que significa que la unió emissor-base està esbiaixada cap endavant mentre que la unió col·lector-base és esbiaixada inversament. En aquest mode, el corrent flueix entre l'emissor i el col·lector i la quantitat de flux de corrent és proporcional al corrent de base. Mode de tall En aquest mode, tant la unió de la base del col·lector com la unió de la base de l'emissor tenen polarització inversa. Com que les dues unions PN estan esbiaixades inversament, gairebé no hi ha flux de corrent excepte petits corrents de fuita (generalment de l'ordre de pocs nanos o pico). El BJT en aquest mode està apagat i és essencialment un circuit obert. La regió de tall s’utilitza principalment en circuits lògics de commutació i digitals. Mode de saturació En aquest mode de funcionament, les unions entre emissor-base i col·lector-base estan esbiaixades cap endavant. El corrent flueix lliurement del col·lector a l'emissor amb una resistència gairebé nul·la. En aquest mode, el transistor està completament encès i és essencialment un circuit tancat. La regió de saturació també s'utilitza principalment en circuits de commutació i lògics digitals. La figura següent mostra les característiques de sortida d'un BJT. A la figura següent, la regió de tall té les condicions de funcionament quan el corrent del col·lector de sortida és zero, el corrent d’entrada base zero i el voltatge màxim del col·lector. Aquests paràmetres provoquen una gran capa d’esgotament, que a més no permet el flux de corrent a través del transistor. Per tant, el transistor està completament en estat OFF. De la mateixa manera, a la regió de saturació, un transistor està esbiaixat de manera que s’aplica un corrent base màxim que dóna com a resultat el màxim corrent del col·lector i la tensió mínima del col·lector-emissor. Això fa que la capa d’esgotament sigui petita i permeti el màxim flux de corrent a través del transistor. Per tant, el transistor està completament en estat ON. Per tant, a partir de la discussió anterior, podem dir que els transistors poden funcionar com a commutador d’estat sòlid ON / OFF operant el transistor a les regions de tall i saturació. Aquest tipus d’aplicació de commutació s’utilitza per controlar LEDs, motors, làmpades, solenoides, etc. Aquest tipus de commutació d'estat sòlid ofereix una fiabilitat significativa i un cost més baix en comparació amb els relés convencionals. Tant els transistors NPN com PNP es poden utilitzar com a commutadors. Algunes de les aplicacions utilitzen un transistor de potència com a dispositiu de commutació, en aquest moment pot ser necessari utilitzar un altre transistor de nivell de senyal per accionar el transistor d’alta potència. es realitza. Quan s’aplica una tensió suficient (VIN> 0.7 V) entre la base i l’emissor, la tensió del col·lector a l’emissor és aproximadament igual a 0. Per tant, el transistor actua com un curtcircuit. El corrent del col·lector VCC / RC flueix pel transistor. De la mateixa manera, quan no s’aplica cap tensió o tensió zero a l’entrada, el transistor funciona a la regió de tall i actua com un circuit obert. En aquest tipus de connexió de commutació, la càrrega (aquí s’utilitza un LED com a càrrega) es connecta a la sortida de commutació amb un punt de referència. Així, quan el transistor està engegat, el corrent fluirà de la font a terra a través de la càrrega. el valor beta és 50. A la base, es dóna un senyal d'entrada que varia entre 0V i 5V. Veurem la sortida al col·lector variant el VI en dos estats que són 0 i 5 V tal com es mostra a la figura. IC = VCC / RC, quan VCE = 0 IC = 5V / 0.7 KΩ IC = 7.1 mA Corrent base IB = IC / β IB = 7.1 mA / 125 IB = 56.8 µA A partir dels càlculs anteriors, el valor màxim o màxim del col·lector el corrent al circuit és de 7.1 mA quan VCE és igual a zero. I el corrent de base corresponent per a aquest corrent de col·lector és de 56.8 µA. Per tant, és clar que quan el corrent de base augmenta més enllà dels 56.8 microamperis, el transistor passa al mode de saturació. Considereu el cas quan s’aplica zero volt a entrada. Això fa que el corrent de base sigui zero i com l'emissor està connectat a terra, la unió de la base de l'emissor no està polaritzada cap endavant. Per tant, el transistor està en estat OFF i la tensió de sortida del col·lector és igual a 5V. Quan VI = 0V, IB = 0 i IC = 0, VC = VCC - (IC * RC) = 5V - 0 = 5V Tingueu en compte que la tensió d’entrada aplicada és de 5 volts, el corrent base es pot determinar aplicant la llei de tensió de Kirchhoff. Quan VI = 5 V, IB = (VI – VBE) / RB Per a transistor de silici, VBE = 0.7 V Així, IB = (5 V – 0.7 V) / 50 KΩ = 86 µA, que és més gran que 56.8 µA Per tant, com a base el corrent és superior a 56.8 corrents de microamperis, el transistor es conduirà a saturació, és a dir, està completament activat quan s'aplica 5V a l'entrada. Així, la sortida al col·lector esdevé aproximadament zero. El transistor PNP com a transistor SwitchPNP funciona igual que NPN per a una operació de commutació, però el corrent flueix des de la base. Aquest tipus de commutació s’utilitza per a configuracions de terra negatives. Per al transistor PNP, el terminal base sempre està esbiaixat negativament respecte a l’emissor. En aquesta commutació, el corrent base flueix quan la tensió base és més negativa. Simplement, un voltatge baix o més negatiu fa que el transistor passi a curtcircuit en cas contrari, serà un circuit obert. En aquesta connexió, la càrrega es connecta a la sortida de commutació del transistor amb un punt de referència. Quan el transistor està engegat, el corrent flueix des de la font a través del transistor cap a la càrrega i finalment cap a terra. tensió constant i el col·lector està connectat a terra a través de la càrrega, tal com es mostra a la figura. En aquesta configuració, la base sempre es polaritza negativament respecte a l’emissor connectant la base al costat negatiu i l’emissor al costat positiu de l’alimentació d’entrada. Per tant, la tensió VBE és negativa i la tensió d’alimentació de l’emissor respecte al col·lector és positiva (VCE positiva). Per tant, per a la conducció del transistor l’emissor ha de ser més positiva tant pel que fa al col·lector com a la base. En altres paraules, la base ha de ser més negativa respecte a l’emissor. Per calcular la base i els corrents del col·lector s’utilitzen les expressions següents. IC = IE - IB IC = β * IB IB = IC / β Considereu l'exemple anterior, que la càrrega requereix 100 milers d'amperis de corrent i el transistor té el valor beta de 100. Aleshores, el corrent necessari per a la saturació del transistor és de corrent base mínim = corrent de col·lector / β = 100 mA / 100 = 1mA Per tant, quan el corrent de base és 1 mA, el transistor estarà completament ENCÀNTIT. Però es necessita pràcticament un 30 per cent de més corrent per garantir la saturació del transistor. Per tant, en aquest exemple, el corrent de base requerit és de 1.3 mA. Exemples pràctics de transistor com a transistor de commutació per canviar els LEDA que hem comentat anteriorment, el transistor es pot utilitzar com a commutador. L’esquema següent mostra com s’utilitza un transistor per canviar el díode emissor de llum (LED). Quan l’interruptor del terminal base està obert, no circula corrent per la base, de manera que el transistor es troba en estat de tall. Per tant, el transistor actua com un circuit obert i el LED s’apaga. Quan l’interruptor està tancat, el corrent base comença a fluir a través del transistor i, a continuació, entra en saturació, cosa que fa que el LED s’encengui. a través de la base i el LED. També és possible variar la intensitat del LED variant la resistència del recorregut de corrent base. Transistor per operar el relé També és possible controlar el funcionament del relé mitjançant un transistor. Amb una petita disposició de circuit d’un transistor capaç d’alimentar la bobina del relé de manera que es controli la càrrega externa que hi està connectada. Considereu el circuit següent per conèixer el funcionament d’un transistor per alimentar la bobina del relé. L'entrada aplicada a la base fa que el transistor condueixi a la regió de saturació, cosa que fa que el circuit es converteixi en curtcircuit. Així, la bobina del relé s'activa i els contactes del relé s'accionen. En càrregues inductives, especialment en la commutació de motors i inductors, l'eliminació sobtada de potència pot mantenir un alt potencial a través de la bobina. Aquesta alta tensió pot causar danys considerables al circuit de repòs. Per tant, hem d’utilitzar el díode en paral·lel amb la càrrega inductiva per protegir el circuit de les tensions induïdes de la càrrega inductiva. canviant el transistor en intervals de temps regulars, tal com es mostra a la figura següent. Com s'ha esmentat anteriorment, el motor de corrent continu també és una càrrega inductiva, per la qual cosa hem de col·locar un díode de roda lliure per protegir el circuit. En canviar el transistor en tall i saturació a les regions, podem encendre i apagar el motor repetidament. També és possible regular la velocitat del motor d’aturada a màxima velocitat canviant el transistor a freqüències variables. Podem obtenir la freqüència de commutació des d'un dispositiu de control o IC com el microcontrolador. Tens la idea clara de com es pot utilitzar un transistor com a interruptor? Esperem que la informació proporcionada amb imatges i exemples rellevants clarifiqui tot el concepte de commutació de transistors. A més, si teniu dubtes, suggeriments i comentaris, podeu escriure a continuació: Conclusió Un tutorial complet sobre l’ús del transistor com a commutador.

Deixa un missatge 

Llista de missatges