Funktion des Transistors als Schalter

In diesem Transistor-Tutorial lernen wir die Funktionsweise eines Transistors als Schalter kennen. Schalten und Verstärken sind die beiden Anwendungsgebiete von Transistoren und Transistor als Schalter ist die Basis für viele digitale Schaltungen. Wir lernen verschiedene Betriebsmodi (Aktiv, Sättigung und Abschaltung) eines Transistors, wie ein Transistor als Schalter funktioniert (sowohl NPN als auch PNP) und einige praktische Anwendungsschaltungen, die Transistoren als Schalter verwenden of TransistorsActive ModeCutoff ModeSaturation ModeTransistor als SchalterNPN-Transistor als SchalterBeispiel für NPN-Transistor als SchalterPNP-Transistor als SchalterBeispiel für PNP-Transistor als SchalterPraktische Beispiele für Transistor als SchalterTransistor zum Schalten der LEDTransistor zum Betreiben des RelaisTransistor zum Treiben des Motors Schicht-Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das häufig bei Signalverstärkungs- und Schaltvorgängen verwendet wird. Als eines der bedeutendsten elektronischen Geräte hat der Transistor in einer enormen Bandbreite von Anwendungen wie eingebetteten Systemen, digitalen Schaltungen und Steuerungssystemen Verwendung gefunden. Sie finden Transistoren sowohl im digitalen als auch im analogen Bereich, da sie in großem Umfang für verschiedene Anwendungszwecke wie Schaltkreise verwendet werden , Verstärkerschaltungen, Stromversorgungsschaltungen, digitale Logikschaltungen, Spannungsregler, Oszillatorschaltungen usw. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die Schaltwirkung des Transistors und gibt eine kurze Erklärung des Transistors als Schalter. Eine kurze Anmerkung zu BJTEs gibt zwei Hauptfamilien von Transistoren: Bipolar-Junction-Transistoren (BJT) und Feldeffekttransistoren (FETs). Der Bipolar-Junction-Transistor oder einfach BJT ist ein Halbleiterbauelement mit drei Schichten, drei Anschlüssen und zwei Anschlüssen. Er besteht aus zwei PN-Übergängen, die Back-to-Back mit einer gemeinsamen Mittelschicht gekoppelt sind. Wann immer wir den Begriff "Transistor" sagen, bezieht er sich oft auf BJT. Es ist ein stromgesteuertes Gerät, bei dem der Ausgangsstrom vom Eingangsstrom gesteuert wird. Der Name bipolar weist darauf hin, dass zwei Arten von Ladungsträgern, dh Elektronen und Löcher, Strom im BJT leiten, wobei Löcher positive Ladungsträger und Elektronen negative Ladungsträger sind. Der Transistor hat drei Bereiche, nämlich Basis, Emitter und Kollektor. Der Emitter ist ein stark dotierter Anschluss und emittiert Elektronen in die Basis. Der Basisanschluss ist leicht dotiert und leitet die vom Emitter injizierten Elektronen an den Kollektor weiter. Der Kollektoranschluss ist mäßig dotiert und sammelt Elektronen von der Basis. Dieser Kollektor ist im Vergleich zu den anderen beiden Regionen groß, sodass er mehr Wärme ableiten kann. Es gibt zwei Arten von BJTs: NPN und PNP. Beide funktionieren auf die gleiche Weise, unterscheiden sich jedoch in Bezug auf die Vorspannung und die Polarität der Stromversorgung. Beim PNP-Transistor ist das N-Typ-Material zwischen zwei P-Typ-Materialien eingebettet, während im Fall des NPN-Transistors das P-Typ-Material zwischen zwei N-Typ-Materialien eingebettet ist. Diese beiden Transistoren können in verschiedene Typen wie gemeinsamer Emitter, gemeinsamer Kollektor konfiguriert werden und Konfigurationen mit gemeinsamer Basis.Wenn Sie nach einem MOSFET als Schalter suchen, lernen Sie zuerst die Grundlagen von MOSFET.Betriebsmodi von Transistoren Abhängig von den Vorspannungsbedingungen wie vorwärts oder rückwärts haben Transistoren drei Hauptbetriebsmodi, nämlich Cutoff, Active und Sättigungsbereiche.Aktiver ModusIn diesem Modus wird der Transistor im Allgemeinen als Stromverstärker verwendet. Im aktiven Modus sind zwei Übergänge unterschiedlich vorgespannt, dh der Emitter-Basis-Übergang ist in Durchlassrichtung vorgespannt, während der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist. In diesem Modus fließt Strom zwischen Emitter und Kollektor, und die Stromstärke ist proportional zum Basisstrom. Abschaltmodus In diesem Modus werden sowohl der Kollektor-Basis-Übergang als auch der Emitter-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt. Da beide PN-Übergänge in Sperrrichtung vorgespannt sind, fließt fast kein Strom außer kleinen Leckströmen (normalerweise in der Größenordnung von wenigen Nanoampere oder Picoampere). BJT ist in diesem Modus ausgeschaltet und ist im Wesentlichen ein offener Stromkreis. Der Sperrbereich wird hauptsächlich in Schalt- und digitalen Logikschaltungen verwendet. Sättigungsmodus In diesem Betriebsmodus werden sowohl die Emitter-Basis- als auch die Kollektor-Basis-Übergänge in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Strom fließt frei vom Kollektor zum Emitter, fast ohne Widerstand. In diesem Modus ist der Transistor vollständig eingeschaltet und ist im Wesentlichen ein geschlossener Stromkreis. Der Sättigungsbereich wird auch hauptsächlich in Schalt- und digitalen Logikschaltungen verwendet. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgangseigenschaften eines BJT. In der folgenden Abbildung weist der Abschaltbereich die Betriebsbedingungen auf, wenn der Ausgangskollektorstrom Null, der Basiseingangsstrom Null und die maximale Kollektorspannung beträgt. Diese Parameter verursachen eine große Verarmungsschicht, die außerdem keinen Stromfluss durch den Transistor zulässt. Daher befindet sich der Transistor vollständig im AUS-Zustand. Ähnlich wird ein Transistor im Sättigungsbereich so vorgespannt, dass ein maximaler Basisstrom angelegt wird, der zu einem maximalen Kollektorstrom und einer minimalen Kollektor-Emitter-Spannung führt. Dadurch wird die Verarmungsschicht klein und ermöglicht einen maximalen Stromfluss durch den Transistor. Daher befindet sich der Transistor vollständig im EIN-Zustand. Aus der obigen Diskussion können wir daher sagen, dass Transistoren durch Betreiben des Transistors in Sperr- und Sättigungsbereichen dazu gebracht werden können, als EIN/AUS-Halbleiterschalter zu arbeiten. Diese Art von Schaltanwendung wird zur Steuerung von LEDs, Motoren, Lampen, Magnetspulen usw. verwendet. Transistor als SchalterEin Transistor kann für Schaltvorgänge zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises verwendet werden. Diese Halbleiterschaltung bietet im Vergleich zu herkömmlichen Relais eine erhebliche Zuverlässigkeit und geringere Kosten. Als Schalter können sowohl NPN- als auch PNP-Transistoren verwendet werden. Einige der Anwendungen verwenden einen Leistungstransistor als Schaltelement, zu diesem Zeitpunkt kann es erforderlich sein, einen anderen Signalpegeltransistor zu verwenden, um den Hochleistungstransistor zu treiben.NPN-Transistor als SchalterBasierend auf der an der Basisklemme eines Transistorschaltvorgangs angelegten Spannung ist durchgeführt. Wenn zwischen Basis und Emitter eine ausreichende Spannung (VIN > 0.7 V) angelegt wird, ist die Kollektor-Emitter-Spannung ungefähr gleich 0. Daher wirkt der Transistor als Kurzschluss. Der Kollektorstrom VCC / RC fließt durch den Transistor. Wenn am Eingang keine Spannung oder Nullspannung anliegt, arbeitet der Transistor im Sperrbereich und wirkt als offener Stromkreis. Bei dieser Art des Schaltanschlusses wird eine Last (hier wird eine LED als Last verwendet) mit einem Referenzpunkt an den Schaltausgang angeschlossen. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, fließt daher Strom von der Quelle nach Masse durch die Last.Beispiel für einen NPN-Transistor als Schalter Betrachten Sie das folgende Beispiel, bei dem Basiswiderstand RB = 50 KΩ, Kollektorwiderstand RC = 0.7 KΩ, VCC 5 V und beträgt Der Beta-Wert beträgt 125. An der Basis wird ein zwischen 0V und 5V variierendes Eingangssignal ausgegeben. Wir werden den Ausgang am Kollektor sehen, indem wir das VI in zwei Zuständen variieren, nämlich 0 und 5 V, wie in der Abbildung gezeigt. IC = VCC / RC, wenn VCE = 0 IC = 5V / 0.7 KΩ IC = 7.1 mA Basisstrom IB = IC / β IB = 7.1 mA / 125 IB = 56.8 µA Aus den obigen Berechnungen der Maximal- oder Spitzenwert des Kollektors Der Strom im Stromkreis beträgt 7.1 mA, wenn VCE gleich Null ist. Und der entsprechende Basisstrom für diesen Kollektorstrom beträgt 56.8 µA. Es ist also klar, dass der Transistor in den Sättigungsmodus übergeht, wenn der Basisstrom über 56.8 Mikroampere erhöht wird Eingang. Dies bewirkt, dass der Basisstrom Null ist und da der Emitter geerdet ist, wird der Emitter-Basisübergang nicht in Durchlassrichtung vorgespannt. Daher befindet sich der Transistor im AUS-Zustand und die Kollektorausgangsspannung beträgt 5 V. Wenn VI = 0V, IB = 0 und IC =0, VC = VCC – (IC * RC) = 5V – 0 = 5V Angenommen, die angelegte Eingangsspannung beträgt 5 Volt, dann kann der Basisstrom durch Anwendung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes bestimmt werden. Wenn VI = 5 V, IB = (VI – VBE) / RB Für Siliziumtransistor VBE = 0.7 V Somit ist IB = (5 V – 0.7 V) / 50 KΩ = 86 µA, was größer als 56.8 µA ist Daher als Basis Strom größer als 56.8 Mikroampere ist, wird der Transistor in die Sättigung getrieben, dh er ist vollständig eingeschaltet, wenn 5 V am Eingang anliegen. Somit wird der Ausgang am Kollektor ungefähr null. Der PNP-Transistor als SwitchPNP-Transistor arbeitet für einen Schaltvorgang genauso wie NPN, aber der Strom fließt von der Basis. Diese Art des Schaltens wird für Konfigurationen mit negativer Masse verwendet. Beim PNP-Transistor ist der Basisanschluss gegenüber dem Emitter immer negativ vorgespannt. Bei dieser Schaltung fließt Basisstrom, wenn die Basisspannung negativer ist. Einfach eine niedrige Spannung oder eine negativere Spannung führt dazu, dass der Transistor kurzgeschlossen wird, sonst wird er offen. In diesem Zusammenhang wird die Last mit einem Referenzpunkt an den Transistor-Schaltausgang angeschlossen. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, fließt Strom von der Quelle durch den Transistor zur Last und schließlich zur Masse.Beispiel für einen PNP-Transistor als Schalter konstante Spannung und der Kollektor ist über die Last mit Masse verbunden, wie in Abbildung gezeigt. Die Spannung VBE ist also negativ und die Emitter-Versorgungsspannung in Bezug auf den Kollektor ist positiv (VCE positiv). Daher muss der Emitter des Transistors sowohl in Bezug auf Kollektor als auch auf Basis positiver sein. Mit anderen Worten, die Basis muss gegenüber dem Emitter negativer sein. Zur Berechnung der Basis- und Kollektorströme werden die folgenden Ausdrücke verwendet. IC = IE – IB IC = β * IB IB = IC / β Betrachten Sie das obige Beispiel, dass die Last 100 Milliampere Strom benötigt und der Transistor den Beta-Wert von 100 hat. Dann ist der für die Sättigung des Transistors erforderliche Strom Minimaler Basisstrom = Kollektorstrom / β = 100 mA / 100 = 1 mA Daher ist der Transistor bei einem Basisstrom von 1 mA vollständig eingeschaltet. Für eine garantierte Sättigung des Transistors sind jedoch praktisch 30 Prozent mehr Strom erforderlich. In diesem Beispiel beträgt der erforderliche Basisstrom also 1.3 mA. Praktische Beispiele für einen Transistor als SchalterTransistor zum Schalten der LEDs Wie bereits erwähnt, kann der Transistor als Schalter verwendet werden. Das folgende Schema zeigt, wie ein Transistor verwendet wird, um die Leuchtdiode (LED) zu schalten. Wenn der Schalter am Basisanschluss geöffnet ist, fließt kein Strom durch die Basis, so dass sich der Transistor im ausgeschalteten Zustand befindet. Daher fungiert der Transistor als offener Stromkreis und die LED wird AUS. Wenn der Schalter geschlossen wird, beginnt der Basisstrom durch den Transistor zu fließen und geht dann in die Sättigung, was dazu führt, dass die LED eingeschaltet wird. Widerstände werden platziert, um die Ströme zu begrenzen durch die Basis und LED. Es ist auch möglich, die LED-Intensität durch Variieren des Widerstands im Basisstrompfad zu variieren.Transistor zum Betreiben des RelaisEs ist auch möglich, den Relaisbetrieb mit einem Transistor zu steuern. Mit einer kleinen Schaltungsanordnung eines Transistors, der in der Lage ist, die Spule des Relais zu erregen, so dass die daran angeschlossene externe Last gesteuert wird. Betrachten Sie die folgende Schaltung, um die Funktionsweise eines Transistors zum Erregen der Relaisspule zu kennen. Der an der Basis angelegte Eingang bewirkt, dass der Transistor in den Sättigungsbereich getrieben wird, was weiter dazu führt, dass die Schaltung kurzgeschlossen wird. Dadurch wird die Relaisspule erregt und die Relaiskontakte werden betätigt. Bei induktiven Lasten, insbesondere beim Schalten von Motoren und Induktoren, kann eine plötzliche Stromunterbrechung ein hohes Potenzial über der Spule aufrechterhalten. Diese hohe Spannung kann den Ruhestromkreis erheblich beschädigen. Daher müssen wir die Diode parallel zur induktiven Last verwenden, um die Schaltung vor induzierten Spannungen der induktiven Last zu schützen.Transistor zum Ansteuern des MotorsEin Transistor kann auch verwendet werden, um die Drehzahl des Gleichstrommotors unidirektional zu treiben und zu regulieren Schalten des Transistors in regelmäßigen Zeitabständen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Wie oben erwähnt, ist der Gleichstrommotor auch eine induktive Last, daher müssen wir eine Freilaufdiode darüber platzieren, um den Stromkreis zu schützen. Durch Schalten des Transistors in Abschalten und Sättigung Regionen können wir den Motor wiederholt ein- und ausschalten. Es ist auch möglich, die Drehzahl des Motors vom Stillstand bis zur vollen Drehzahl zu regulieren, indem der Transistor mit variablen Frequenzen geschaltet wird. Wir können die Schaltfrequenz von Steuergeräten oder ICs wie Mikrocontrollern erhalten. Haben Sie eine klare Vorstellung davon, wie ein Transistor als Schalter verwendet werden kann? Wir hoffen, dass die bereitgestellten Informationen mit entsprechenden Bildern und Beispielen das gesamte Transistorschaltkonzept verdeutlichen. Wenn Sie Zweifel, Vorschläge und Kommentare haben, können Sie unten schreiben. FazitEin vollständiges Tutorial zur Verwendung des Transistors als Schalter.

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