Μαθήματα:
- Γενικός
- Λειτουργία του τρανζίστορ
- Το τρανζίστορ ως διακόπτης
- Το τρανζίστορ ως ενισχυτής
- Χαρακτηριστικό τρανζίστορ
- Παράδειγμα κυκλώματος με χαρακτηριστικό
- Τρανζίστορ Darlington
Γενικά:
Τα τρανζίστορ έχουν 2 διαφορετικές εφαρμογές, χρησιμοποιούνται ως:
- Ενισχυτής (σκεφτείτε έναν ενισχυτή ήχου)
- Διακόπτης (ένα τρανζίστορ μπορεί να εναλλάσσει μεγάλες δυνάμεις πολύ γρήγορα και χρησιμοποιείται, μεταξύ άλλων, σε συσκευές ελέγχου στο αυτοκίνητο).
Τα τρανζίστορ ελέγχονται με ρεύμα. Στους μικροεπεξεργαστές, για παράδειγμα, κάποιος θέλει να διατηρήσει το ρεύμα όσο το δυνατόν χαμηλότερο λόγω της ανάπτυξης θερμότητας. Το MOSFET χρησιμοποιείται συχνά σε αυτό.
Υπάρχουν 2 τύποι τρανζίστορ, δηλαδή το NPN και το τρανζίστορ PNP. Αυτά περιγράφονται παρακάτω.
Τρανζίστορ NPN:
Το B σημαίνει "Βάση", το C για "Συλλεκτής" και το Ε για "Εκπομπός".
Με το τρανζίστορ NPN, το βέλος δείχνει μακριά από το τρανζίστορ. Αυτό το τρανζίστορ χρησιμοποιείται συχνά όταν είναι «κύκλωμα γείωσης», όπου ο πομπός είναι συνδεδεμένος στη γείωση.
Τρανζίστορ PNP:
Με το τρανζίστορ PNP το βέλος δείχνει προς το τρανζίστορ. Ένα χρήσιμο μνημονικό για το PNP είναι το "Arrow to Plate".
Λειτουργία του τρανζίστορ:
Στην τεχνολογία αυτοκινήτων, το τρανζίστορ χρησιμοποιείται συχνότερα ως διακόπτης, επομένως θα το συζητήσουμε τώρα περαιτέρω. Παίρνουμε ένα τρανζίστορ NPN ως παράδειγμα.
Η εικόνα δείχνει τη βάση στα αριστερά, πάνω από τον συλλέκτη και κάτω από τον πομπό. Όταν ένα βασικό ρεύμα αρχίζει να ρέει (μπλε βέλος), ακολουθεί το δρόμο του προς τον Εκπομπό. Αυτό προκαλεί επίσης ένα ρεύμα συλλέκτη να ρέει στον πομπό. Μόλις εξαφανιστεί το ρεύμα βάσης, σταματά και το ρεύμα από τον συλλέκτη στον εκπομπό.
Εάν ρέει το μισό βασικό ρεύμα, θα ρέει και το μισό ρεύμα (σε σύγκριση με το I max.). Είναι επομένως ξεκάθαρα ορατό ότι το ρεύμα που περνά μέσα από το τρανζίστορ (από το C στο E) εξαρτάται πλήρως από το ύψος του B.
Ένα τρανζίστορ έχει πάντα απώλειες τάσης λόγω της μετάβασης PN. Μεταξύ Βάσης και Εκπομπού είναι 0,7 Volt και μεταξύ Συλλέκτη και Εκπομπού 0,3 Volt.
Το τρανζίστορ ως διακόπτης:
Στο παρακάτω παράδειγμα, μια λάμπα 12 volt / 5 Watt ελέγχεται με ένα τρανζίστορ. Η τάση του UB1 (πηγή τάσης 1) είναι η τάση της μπαταρίας των 12 βολτ. Η λάμπα είναι συνδεδεμένη με τη γείωση. Η βάση του τρανζίστορ ελέγχεται με UB2. «η πηγή τάσης 2» των 6 βολτ.
Η τάση απώλειας μεταξύ Συλλέκτη – Εκπομπού (UCE) είναι 0,3 βολτ και μεταξύ Βάσης – Εκπομπού (UBE) 0,7 βολτ. Αυτό θα το δούμε να αντικατοπτρίζεται στον παρακάτω υπολογισμό. Ο συντελεστής ενίσχυσης έχει οριστεί στο 200. Αυτό μπορεί πάντα να διαφέρει. Ο συντελεστής κέρδους είναι η αναλογία μεταξύ του ρεύματος βάσης και του ρεύματος συλλέκτη-εκπομπού.
Ένα κύκλωμα πρέπει πάντα να κατασκευάζεται με μια ορισμένη αντίσταση (RB στο παραπάνω διάγραμμα). Εάν δεν υπήρχε αυτή η αντίσταση, το τρανζίστορ θα αστοχούσε αμέσως. Η τιμή που πρέπει να έχει η αντίσταση RB εξαρτάται από όλους τους παράγοντες. δηλαδή τάσεις τόσο στο UB1 όσο και στο UB2 και το απαιτούμενο ρεύμα για τα εξαρτήματα (αντιστάσεις ή λαμπτήρες) κ.λπ. Θα υπολογίσουμε τώρα την αντίσταση φορτίου RB.
Για τον υπολογισμό της αντίστασης φορτίου RB, πρέπει πρώτα να υπολογιστεί η αντίσταση μέσω του λαμπτήρα.
Τώρα που είναι γνωστή η αντίσταση RL, μπορεί να υπολογιστεί το ρεύμα συλλέκτη (IC).
Το UCEsat σημαίνει «κορεσμός», ή με άλλα λόγια. κορεσμός. Μόλις το τρανζίστορ αγώγει, υπάρχει πτώση τάσης 0,3 βολτ μεταξύ των σημείων C και E (Συλλέκτης – Εκπομπός).
Το επόμενο βήμα είναι να προσδιορίσετε το βασικό ρεύμα (IB):
Ένα περιθώριο ασφαλείας (IBK) 1,5 x IB ισχύει για κάθε κύκλωμα τρανζίστορ. Άρα η τιμή του IB πρέπει να πολλαπλασιαστεί ξανά με 1,5. Ο λόγος για αυτό θα εξηγηθεί αργότερα.
Το ρεύμα βάσης είναι μόνο το 12% του ρεύματος συλλέκτη-εκπομπού. Είναι πλέον ορατό ότι ένα τρανζίστορ μπορεί να μετατραπεί σε μεγάλο κύριο ρεύμα από ένα μικρό ρεύμα μπάσων.
Τώρα που όλα τα ρεύματα στο διάγραμμα είναι γνωστά, μπορεί να υπολογιστεί η αντίσταση RB.
Το UBE είναι η τάση μεταξύ της Βάσης και του Εκπομπού. Λόγω του αγώγιμου υλικού στο τρανζίστορ, υπάρχει πάντα πτώση τάσης 0,7 Volt μεταξύ των σημείων Β και Ε.
Δεν υπάρχουν τυπικές αντιστάσεις που να είναι ακριβώς 1,74k (Kilo-Ohm). Πρέπει λοιπόν να επιλεγεί μια τυπική αντίσταση με διαφορετική τιμή. Η επιλογή πρέπει να γίνει από τις διαθέσιμες αντιστάσεις της σειράς E12.
Η απαιτούμενη αντίσταση των 1,74k είναι μεταξύ 1,5k και 1,8k. Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να επιλεγεί η χαμηλότερη τιμή αντίστασης. για 1,5 χιλ. Αυτό γίνεται για να διασφαλιστεί ότι η γήρανση και η φθορά των εξαρτημάτων δεν επηρεάζουν τα ρεύματα στο κύκλωμα.
Το τρανζίστορ ως ενισχυτής:
Το τρανζίστορ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτής. Το ρεύμα βάσης μπορεί να αλλάξει περιστρέφοντας ένα ποτενσιόμετρο. Μεταβάλλοντας το ρεύμα βάσης, αλλάζει η τάση κέρδους, και επομένως η τάση κατά μήκος του συλλέκτη-εκπομπού.
Χαρακτηριστικό τρανζίστορ:
Ένα χαρακτηριστικό μπορεί να γίνει από ένα τρανζίστορ NPN, δείτε την παρακάτω εικόνα:
1ο τεταρτημόριο (πάνω δεξιά) = UCE – IC
Η γραμμή έχει κλίση προς τα πάνω έως και 0,3 βολτ. Αυτή η περιοχή είναι UCEsat (κορεσμός τρανζίστορ). Μετά από αυτό η γραμμή τρέχει σχεδόν οριζόντια.
2ο τεταρτημόριο (πάνω αριστερά) = IB – IC
Η σύνδεση μεταξύ UB και IC υποδεικνύεται εδώ. IC = HFE x IB, με αυτό το χαρακτηριστικό HFE= 10, άρα το IC είναι 10 φορές μεγαλύτερο από το IB. Ο συντελεστής ασφαλείας IB = 1,5 x IBK δεν έχει ακόμη ληφθεί υπόψη.
3ο τεταρτημόριο (κάτω αριστερά) = UBE – IB
Η πτώση τάσης μεταξύ της βάσης και του πομπού ενός τρανζίστορ είναι η τάση κατωφλίου μιας διόδου. Η οριακή τάση είναι 0,7 Volt. Από αυτή την τάση το τρανζίστορ αρχίζει να αγώγει και το ρεύμα βάσης IB αρχίζει να ρέει. Αυτό μπορεί επίσης να αναχθεί στο χαρακτηριστικό.
Παράδειγμα κυκλώματος με χαρακτηριστικό:
Τώρα ήρθε η ώρα για ένα (απλό) παράδειγμα κυκλώματος με ένα σχετικό χαρακτηριστικό τρανζίστορ. Το IB = 1,5 x IBK περιλαμβάνεται εδώ, με αποτέλεσμα μια οριζόντια γραμμή στον άξονα του IB. Στο παρακάτω κύκλωμα, το UB1 είναι η τάση της μπαταρίας και το UBE (τάση βάσης-εκπομπού) προέρχεται από έναν διακόπτη ή ένα σήμα σε μια συσκευή ελέγχου. Για να υπολογίσετε το ρεύμα στο UBE, πρέπει πρώτα να υπολογιστεί το τρέχον IC (ρεύμα συλλέκτη).
Τώρα ξέρουμε ότι πρέπει να ρέει ρεύμα 15 mA στη βάση του τρανζίστορ για να μεταφερθεί πλήρως το τρανζίστορ (με τα αναφερόμενα UB1 και RB), συμπεριλαμβανομένου του παράγοντα ασφάλειας. Στη συνέχεια, το χαρακτηριστικό μπορεί να συμπληρωθεί:
Σε αυτό το χαρακτηριστικό μπορεί να φανεί ότι το IB (ρεύμα στη βάση) αυξάνεται στα 10 mA. Αυτό το τμήμα, από 0 έως 10 mA, υπολογίζεται με τον τύπο: IB = IC : HFE. Στη συνέχεια, η γραμμή τρέχει εντελώς οριζόντια από 10 έως 15 mA. Αυτό το μέρος είναι ο συντελεστής κέρδους 1,5 (από τον υπολογισμό του IB = 1,5 x IBK). Με ρεύμα βάσης 15 mA, ρέει ρεύμα συλλέκτη (IC) 1000 mA.
Τα τρανζίστορ ελέγχονται με ρεύμα. Στους μικροεπεξεργαστές, για παράδειγμα, κάποιος θέλει να διατηρήσει το ρεύμα όσο το δυνατόν χαμηλότερο λόγω της ανάπτυξης θερμότητας. Αυτό συχνά περιλαμβάνει το MOSFET εφαρμοσμένος.
Τρανζίστορ Darlington:
Μια συσκευή ελέγχου στέλνει ένα ρεύμα βάσης στο τρανζίστορ. Ένα τρανζίστορ μπορεί να γίνει αγώγιμο από μια συσκευή ελέγχου με ρεύμα από 0,1 έως 0,5 mA. Όταν θέλουμε να ελέγξουμε έναν ενεργοποιητή που απαιτεί υψηλό ρεύμα, η ECU δεν μπορεί να παρέχει το απαιτούμενο ρεύμα για το τρανζίστορ. Το πρωτεύον ρεύμα ενός πηνίου ανάφλεξης είναι περίπου 8 αμπέρ. Το ρεύμα ελέγχου θα πρέπει να ενισχυθεί για να γίνει το τρανζίστορ αγώγιμο. Αυτό προκαλεί πρόβλημα: ο μικροεπεξεργαστής δεν μπορεί να παρέχει το επιθυμητό ρεύμα για το τρανζίστορ.
Μέσω ενός τρανζίστορ Darlington, ένα μικρό ρεύμα ελέγχου από την ECU μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εναλλαγή μεγάλου ρεύματος στον ενεργοποιητή.
Το τρανζίστορ Darlington αποτελείται από δύο τρανζίστορ συνδεδεμένα μεταξύ τους σε ένα περίβλημα.
Το ρεύμα συλλέκτη-εκπομπού του Τ1 παρέχει το ρεύμα βάσης του Τ2. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγάλο συντελεστή κέρδους, επειδή οι συντελεστές κέρδους και των δύο τρανζίστορ μπορούν να πολλαπλασιαστούν μαζί.
Ένα πολύ μικρό ρεύμα βάσης T1 (μόνο το ένα δέκατο του milliamp) είναι συχνά αρκετό για να κάνει το T2 αγώγιμο.
Ο συντελεστής κέρδους ρεύματος (Hfed) του τρανζίστορ Darlington είναι συχνά μεταξύ 1000 και 10.000. Ο τύπος για τον υπολογισμό του συντελεστή κέρδους ενός τρανζίστορ Darlington είναι:
Hfed = Hfe1 * Hfe2
- Πλεονέκτημα: χάρη στον μεγάλο συντελεστή ενίσχυσης ρεύματος (Hfed), ένα μικρό ρεύμα ελέγχου μπορεί να είναι αρκετό για να κάνει το τρανζίστορ Darlington αγώγιμο.
- Μειονέκτημα: Η τάση βάσης-εκπομπού του κυκλώματος Darlington είναι διπλάσια από αυτή ενός τρανζίστορ. Η τάση πτώσης του τρανζίστορ Darlington είναι επομένως σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή ενός μόνο τρανζίστορ.
Στην ενότητα "Σήματα εξόδου" στη σελίδα Κυκλώματα διεπαφής δίνονται παραδείγματα και εφαρμογές του τρανζίστορ Darlington.
Σχετική σελίδα:
