Onderwerpen:
- Algemeen
- Werking van de transistor
- De transistor als schakelaar
- De transistor als versterker
- Transistorkarakteristiek
- Voorbeeldschakeling met een karakteristiek
- Darlington-transistor
Algemeen:
Transistoren hebben 2 verschillende toepassingen, ze worden gebruikt als:
- Versterker (denk aan een audioversterker)
- Schakelaar (een transistor kan zeer snel grote vermogens schakelen en wordt gebruikt in o.a. regelapparaten in de auto).
Transistoren worden aangestuurd met stroom. In bijvoorbeeld microprocessoren wil men de stroomsterkte zo laag mogelijk houden in verband met warmteontwikkeling. Daarin wordt vaak de MOSFET toegepast.
Er zijn 2 soorten transistoren, namelijk de NPN- en de PNP transistor. Deze worden hieronder beschreven.
NPN transistor:
De B staat voor “Basis”, de C voor “Collector en de E voor “Emitter”,
Bij de NPN transistor staat de pijl van de transistor af gericht. Deze transistor wordt vaak gebruikt wanneer het een ‘massaschakeling’ is, waarbij de Emitter aan de massa is verbonden.
PNP transistor:
Bij de PNP transistor staat de pijl naar de transistor toe gericht. Een handig ezelsbruggetje voor PNP is dan ook wel “Pijl Naar Plaat”.
Werking van de transistor:
In de autotechniek wordt de transistor het meest als schakelaar gebruikt, dus daar gaan we nu verder op in. We nemen als voorbeeld een NPN transistor.
In de afbeelding staat links de basis, boven de collector en onder de Emitter. Als er een basisstroom gaat lopen (blauwe pijl), volgt deze zijn weg naar de Emitter. Daardoor gaat er ook een collectorstroom naar de Emitter lopen. Zodra de basisstroom wegvalt, stopt ook de stroom van collector naar Emitter.
Als er een halve basisstroom gaat lopen, gaat ook de halve stroom (vergeleken met I max.) lopen. Er is dus duidelijk te zien dat de stroom die door de transistor geschakeld wordt (van C naar E) volledig afhankelijk is van de hoogte van B.
Een transistor heeft ook altijd spanningsverliezen wegens de PN overgang. Tussen de Basis en Emitter is dat 0,7 Volt en tussen de Collector en de Emitter 0,3 Volt.
De transistor als schakelaar:
In het volgende voorbeeld wordt er een lamp van 12 volt / 5 Watt aangestuurd met een transistor. De spanning van UB1 (spanningsbron 1) is de accuspanning van 12 volt. De lamp is massageschakeld. De basis van de transistor wordt aangestuurd met UB2; “de spanningsbron 2” van 6 volt.
De verliesspanning tussen Collector – Emitter (UCE) bedraagt 0,3 volt, en tussen Basis – Emitter (UBE) 0,7 volt. Dit zullen we hieronder terug zien in de berekening. De versterkingsfactor is vastgesteld op 200. Deze kan altijd verschillen. De versterkingsfactor is de verhouding tussen de basisstroom en de Collector-Emitter stroom.
Een schakeling dient altijd te worden uitgevoerd met een bepaalde weerstand (in het bovenstaande schema RB). Wanneer deze weerstand er niet zou zitten, dan zou de transistor direct kapot gaan. De waarde die de weerstand RB moet hebben is afhankelijk van alle factoren; namelijk spanningen op zowel UB1 als UB2 en de benodigde stroom voor de componenten (weerstanden of lampen), etc. De belastingsweerstand RB gaan we nu berekenen.
Om de belastingsweerstand RB te berekenen, moet als eerste de weestand door de lamp worden berekend.
Nu de weerstand RL bekend is, kan de collectorstroom (IC) worden berekend.
UCEsat staat voor “saturation”, of te wel; verzadiging. Zodra de transistor in geleiding is, ontstaat er tussen de punten C en E (Collector – Emitter) een spanningsverlies van 0,3 volt.
De volgende stap is het bepalen van de basisstroom (IB):
Bij elke transistorschakeling geldt een veiligheidsmarge (IBK) van 1,5 x IB. Dus de waarde van IB moet nog eens vermenigvuldigd worden met 1,5. De rede hiervoor wordt later uitgelegd.
De basisstroom is slechts 12% van de Collector-Emitterstroom. Nu is duidelijk te zien dat een transistor van een kleine bassistroom een grote hoofdstroom kan worden gemaakt.
Nu alle stromen in het schema bekend zijn, kan de weerstand RB worden berekend.
UBE is de spanning tussen de Basis en de Emitter. Door het geleidende materiaal in de transistor ontstaat er altijd een spanningsverlies van 0,7 Volt tussen de punten B en E.
Er zijn geen standaard weerstanden welke precies 1,74k (Kilo-Ohm) zijn. Er moet dus voor een standaard weerstand gekozen worden met een andere waarde. De keuze moet gemaakt worden uit de beschikbare weerstanden uit de E12 reeks.
De benodigde weerstand van 1,74k zit tussen de 1,5k en de 1,8k in. In dat geval moet er voor de lagere weerstandswaarde gekozen worden; voor 1,5k. Dat is om veroudering en slijtage van de componenten geen invloed te laten hebben op de stromen in het circuit.
De transistor als versterker:
De transistor kan als versterker worden toegepast. De basisstroom kan worden veranderd door het verdraaien van een potentiometer. Door het laten variëren van de basisstroom, wordt de versterkingsspanning, en daarmee de spanning over de collector-emitter verandert.
Transistorkarakteristiek:
Van een NPN transistor kan een karakteristiek worden gemaakt, zie de onderstaande afbeelding:
1e kwadrant (rechts boven) = UCE – IC
Tot aan 0,3 volt loopt de lijn schuin omhoog. Dit gebied is UCEsat (verzadiging van de transistor). Daarna loopt de lijn nagenoeg horizontaal.
2e kwadrant (links boven) = IB – IC
Hier wordt het verband tussen UB en IC aangegeven. IC = HFE x IB, met in dit karakteristiek HFE= 10, dus IC is 10 keer zo groot als IB. De veiligheidsfactor van IB = 1,5 x IBK is hier nog niet in mee gerekend.
3e kwadrant (links onder) = UBE – IB
De verliesspanning tussen de basis en Emitter van een transistor is de drempelspanning van een diode. De drempelspanning is 0,7 Volt. Vanaf deze spanning gaat de transistor geleiden en gaat de basisstroom IB lopen. Ook dit is in het karakteristiek te herleiden.
Voorbeeldschakeling met een karakteristiek:
Nu is het tijd voor een (simpele) voorbeeldschakeling met een bijbehorend transistorkarakteristiek. Hier wordt de IB = 1,5 x IBK wel in opgenomen, wat resulteert in een horizontale lijn op de as van IB. Bij de onderstaande schakeling is UB1 de batterijspanning en UBE (spanning Basis-Emitter) afkomstig van een schakelaar of signaal in een regelapparaat. Om de stroom op UBE te berekenen, dient eerst de stroom IC (collectorstroom) te worden berekend;
Nu weten we dat er een stroom van 15mA op de basis van de transistor moet lopen om de transistor (met de genoemde UB1 en RB) volledig te laten geleiden, inclusief de veiligheidsfactor. Vervolgens kan het karakteristiek worden ingevuld:
In dit karakteristiek is te zien dat de IB (stroom op de basis) toeneemt tot 10mA. Dit gedeelte, van 0 naar 10 mA, is berekend met de formule: IB = IC : HFE. Vervolgens loopt de lijn volledig horizontaal vanaf 10 naar 15mA. Dit gedeelte is de versterkingsfactor van 1,5 (van de berekening van IB = 1,5 x IBK). Bij een basisstroom van 15mA loopt er een collectorstroom (IC) van 1000mA.
Transistoren worden aangestuurd met stroom. In bijvoorbeeld microprocessoren wil men de stroomsterkte zo laag mogelijk houden in verband met warmteontwikkeling. Daarin wordt vaak de MOSFET toegepast.
Darlington-transistor:
Een regelapparaat stuurt een basisstroom naar de transistor. Een transistor kan door een regelapparaat met een stroomsterkte van 0,1 tot 0,5 mA in geleiding worden gebracht. Op het moment dat we een actuator willen aansturen waarbij een hoge stroomsterkte is vereist, kan de ECU de benodigde stroom voor de transistor niet leveren. De primaire stroom van een bobine bedraagt ongeveer 8 Ampère. De stuurstroom zal moeten worden versterkt om de transistor in geleiding te brengen. Dit geeft een probleem: de microprocessor kan de gewenste stroomsterkte voor de transistor niet leveren.
Door middel van een Darlington-transistor kan met een kleine stuurstroom vanuit de ECU een grote stroom naar de actuator worden geschakeld.
De Darlington-transistor is opgebouwd uit twee aan elkaar geschakelde transistoren in één behuizing.
De collector-emitter stroom van T1 zorgt voor de basisstroom van T2. Hiermee wordt een grote versterkingsfactor verkregen, omdat de versterkingsfactoren van beide transistoren met elkaar kunnen worden vermenigvuldigd.
Een zeer kleine basisstroom van T1 (slechts een tiende milliampère) is vaak al voldoende om T2 in geleiding te brengen.
De stroomversterkingsfactor (Hfed) van de Darlington-transistor bedraagt veelal tussen de 1000 en 10.000. De formule om de versterkingsfactor van een Darlington-transistor te berekenen luidt:
Hfed = Hfe1 * Hfe2
- Voordeel: dankzij de grote stroomversterkingsfactor (Hfed) kan een kleine stuurstroom volstaan om de Darlington-transistor in geleiding te brengen;
- Nadeel: De basis-emitterspanning van de Darlington-schakeling is tweemaal zo groot als bij een enkele transistor. De verliesspanning van de Darlington-transistor is dus aanzienlijk groter dan van een enkele transistor.
In de paragraaf “Uitgangssignalen” op de pagina Interfaceschakelingen worden voorbeelden en toepassingen van de Darlington-transistor benoemd.
Gerelateerde pagina:
