כיצד להשתמש בטרנזיסטור כמתג

המכשיר העיקרי בתחום החשמל והאלקטרוניקה הוא השסתום המווסת המאפשר לאות חלש לווסת את כמות הזרימה הדומה לזרבובית המווסתת את זרימת המים ממשאבות, צינורות ואחרים. בתקופה מסוימת, שסתום מוסדר זה שהוטמע בתחום החשמלי היה צינורות ואקום. היישום והניצול של צינורות הוואקום היו טובים, אך הסיבוך לכך היה גדול וצריכת חשמל חשמלי עצום שהועברה כחום שקצר את תקופת חיי הצינור. כפיצוי לנושא זה, הטרנזיסטור היה המכשיר שנתן מענה טוב המתאים לדרישות כל תעשיית החשמל והאלקטרוניקה. מכשיר זה הומצא על ידי 'ויליאם שוקלי' בשנת 1947. לדיון נוסף, הבה נצלול לנושא המפורט של ידיעת מהו טרָנזִיסטוֹר , מיישם טרנזיסטור כמתג ומאפיינים רבים.

מהו הטרנזיסטור?

טרנזיסטור הוא מכשיר מוליך למחצה בעל שלושה מסופים שניתן להשתמש בהם לצורך החלפת יישומים, הגברה של אותות חלשים, ובכמויות של אלפי ומיליוני טרנזיסטורים מחוברים זה לזה ומוטבעים במעגל / שבב משולב זעיר, שיוצר זיכרונות מחשב. מתג טרנזיסטור, המשמש לפתיחה או סגירה של מעגל, כלומר הטרנזיסטור משמש בדרך כלל כמתג במכשירים האלקטרוניים רק ליישומי מתח נמוך בגלל הנמוך שלו. כּוֹחַ צְרִיכָה. טרנזיסטור עובד כמתג כאשר הוא נמצא באזורי ניתוק ורוויה.

סוגי טרנזיסטורים BJT

ביסודו של דבר, טרנזיסטור מורכב משני צמתים PN, צמתים אלה נוצרים על ידי כריכת סוג N או סוג P מוֹלִיך לְמֶחֱצָה חומר בין זוג מהסוג ההפוך של חומרי מוליכים למחצה.

צומת דו קוטבי טרנזיסטורים מסווגים לפי סוגים

• NPN
• PNP

הטרנזיסטור כולל שלושה מסופים, כלומר בסיס, פולט , ואספן. הפולט הוא מסוף מסומם בכבדות והוא פולט את האלקטרונים לאזור הבסיס. מסוף הבסיס מסומם קלות ומעביר את האלקטרונים המוזרקים לפולט אל הקולט. מסוף האספן מסומם ביניים ואוסף אלקטרונים מהבסיס.

טרנזיסטור מסוג NPN הוא ההרכב של שני חומרים מוליכים למחצה מסוממים מסוג N בין שכבת מוליכים למחצה מסוממים מסוג P כפי שמוצג לעיל. באופן דומה, טרנזיסטורים מסוג PNP הם ההרכב של שני חומרים מוליכים למחצה מסוממים מסוג P בין שכבת מוליכים למחצה מסוממים מסוג N כפי שמוצג לעיל. התפקוד של טרנזיסטור NPN ו- PNP זהה אך שונה מבחינת הטייתם וקוטביות אספקת החשמל.

טרנזיסטור כמתג

אם המעגל משתמש ב- טרנזיסטור BJT כ- switc h, ואז הטיה של הטרנזיסטור, או NPN או PNP מסודרת להפעלת הטרנזיסטור משני צידי עקומות המאפיינים של ה- IV המוצגות להלן. ניתן להפעיל טרנזיסטור בשלושה מצבים, אזור פעיל, אזור רוויה ואזור מנותק. באזור הפעיל הטרנזיסטור פועל כמגבר. כמתג טרנזיסטור, הוא פועל בשני אזורים ואלה אזור הרוויה (באופן מלא ON) וה- אזור מנותק (כבוי לחלוטין). ה טרנזיסטור כתרשים מעגל מתג הוא

טרנזיסטור כמתג

ניתן להפעיל את שני סוגי הטרנזיסטורים NPN ו- PNP כמתגים. מעטים מהיישומים משתמשים בטרנזיסטור כוח ככלי מיתוג. במהלך מצב זה, ייתכן שלא תהיה דרישה לשימוש בטרנזיסטור אות אחר להפעלת טרנזיסטור זה.

מצבי הפעלה של טרנזיסטורים

אנו יכולים להתבונן מהמאפיינים שלעיל, האזור המוצל ורוד בתחתית הקימורים מייצג את אזור הניתוק והאזור הכחול שמאלה מייצג את אזור הרוויה של הטרנזיסטור. אזורי טרנזיסטור אלה מוגדרים כ-

אזור מנותק

תנאי ההפעלה של הטרנזיסטור הם זרם בסיס אפס קלט (IB = 0), זרם אספן אספן פלט (Ic = 0) ומתח אספן מקסימלי (VCE) המביא לשכבת דלדול גדולה וללא זרם הזורם דרך המכשיר.

לכן הטרנזיסטור מועבר למצב 'OFF-OFF'. כדי שנוכל להגדיר את האזור המנותק בעת שימוש בטרנזיסטור דו קוטבי כמתג, להיות מטרידים את הצמתים של טרנזיסטורי NPN מוטים הפוך, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

מצב ניתוק

אז נוכל להגדיר את 'אזור הניתוק' או 'מצב OFF' כאשר אנו משתמשים בטרנזיסטור דו קוטבי כמתג, כשני הצמתים מוטים הפוך, IC = 0 ו- VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

מאפייני אזור מנותק

המאפיינים באזור הניתוק הם:

• גם מסופי הבסיס וגם מסופי הקלט מקורקעים כלומר '0'
• רמת המתח בצומת פולט הבסיס נמוכה מ- 0.7 וולט
• צומת פולט הבסיס במצב מוטה הפוכה
• כאן הטרנזיסטור מתפקד כמתג OPEN
• כאשר הטרנזיסטור כבוי לחלוטין, הוא עובר לאזור המנותק
• צומת אספן הבסיס במצב מוטה הפוכה
• לא יהיה זרימה של זרם במסוף הקולט כלומר Ic = 0
• ערך המתח בצומת הפולט-אספן ובמסופי הפלט הוא '1'

אזור הרוויה

באזור זה הטרנזיסטור יהיה מוטה כך שמופעל הכמות המרבית של זרם הבסיס (IB), וכתוצאה מכך זרם אספן מקסימלי (IC = VCC / RL) ואז יביא למתח הקולט-פולט המינימלי (VCE ~ 0). יְרִידָה. במצב זה, שכבת הדלדול הופכת קטנה ככל הזרם האפשרי והמקסימלי הזורם דרך הטרנזיסטור. לכן הטרנזיסטור מופעל 'באופן מלא'.

מצב רוויה

ההגדרה של 'אזור רוויה' או 'מצב פועל' כאשר משתמשים בטרנזיסטור NPN דו קוטבי כמתג, שני הצמתים מוטים קדימה, IC = מקסימום ו- VB> 0.7v. עבור טרנזיסטור PNP, פוטנציאל הפולט חייב להיות + יותר ביחס לבסיס. זה עבודה של הטרנזיסטור כמתג .

מאפייני אזור הרוויה

ה מאפייני הרוויה הם:

• גם מסופי הבסיס וגם מסופי הקלט מחוברים ל- Vcc = 5v
• רמת המתח בצומת פולט הבסיס היא יותר מ -0.7 וולט
• צומת פולט הבסיס במצב מוטה קדימה
• כאן הטרנזיסטור מתפקד כמתג סגור
• כאשר הטרנזיסטור כבוי לחלוטין, הוא עובר לאזור הרוויה
• צומת אספן הבסיס במצב מוטה קדימה
• הזרימה הנוכחית במסוף הקולט היא Ic = (Vcc / RL)
• ערך המתח בצומת הפולט-אספן ובמסופי הפלט הוא '0'
• כאשר המתח בצומת הקולט-פולט הוא '0', משמעות הדבר היא מצב רוויה אידיאלי

בנוסף עבודה של טרנזיסטור כמתג ניתן להסביר בפירוט להלן:

טרנזיסטור כמתג - NPN

בהתאם לערך המתח המיושם בקצה הבסיס של הטרנזיסטור, פונקציונליות ההחלפה מתבצעת. כשיש כמות טובה של מתח שנמצאת ~ 0.7V בין הפולט לקצוות הבסיס, אז זרימת המתח בקולט לקצה הפולט היא אפס. לכן, הטרנזיסטור במצב זה מתפקד כמתג והזרם שזורם דרך הקולט נחשב לזרם הטרנזיסטור.

באותו אופן, כאשר אין מתח המופעל במסוף הכניסה, אז הטרנזיסטור מתפקד באזור המנותק ומתפקד כמעגל פתוח. בשיטת מיתוג זו, העומס המחובר במגע עם נקודת המיתוג שבה זה משמש כנקודת ייחוס. לכן, כאשר הטרנזיסטור יעבור למצב 'ON', תהיה זרימת זרם ממסוף המקור לקרקע באמצעות עומס.

טרנזיסטור NPN כמתג

כדי להיות ברור משיטת מיתוג זו, הבה נבחן דוגמה.

נניח שלטרנזיסטור יש ערך התנגדות בסיס של 50kOhm, ההתנגדות בקצה הקולט הוא 0.7kOhm והמתח המיושם הוא 5V ורואה את ערך בטא כ -150. בקצה הבסיס מוחל אות שמשתנה בין 0 ל- 5V. . זה מתאים לכך שתפוקת הקולט נצפית על ידי שינוי ערכי מתח הכניסה שהם 0 ו -5 וולט. שקול את התרשים הבא.

כאשר וי_זֶה= 0, ואז אני_ג= V._{זֶרֶם יָשָׁר}/ ר_ג

IC = 5 / 0.7

אז, הנוכחי במסוף אספן הוא 7.1mA

כערך בטא הוא 150, אז איב = Ic / β

Ib = 7.1 / 150 = 47.3 µA

אז, זרם הבסיס הוא 47.3 µA

עם הערכים שלעיל, הערך הגבוה ביותר של הזרם במסוף הקולט הוא של 7.1 mA במתח אספן למצב פולט הוא אפס וערך זרם הבסיס הוא 47.3 µA. לפיכך, הוכח שכאשר ערך הזרם בקצה הבסיס משופר מעל 47.3 µA, הטרנזיסטור NPN עובר לאזור הרוויה.

נניח שלטרנזיסטור יש מתח כניסה של 0 וולט. משמעות הדבר היא שזרם הבסיס הוא '0' וכאשר צומת הפולט מקורקע, אז הפולט וצומת הבסיס לא יהיו במצב הטיה העברה. לכן, הטרנזיסטור נמצא במצב OFF וערך המתח בקצה הקולט הוא 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

נניח שלטרנזיסטור יש מתח כניסה של 5 וולט. כאן, ניתן לדעת את הערך הנוכחי בקצה הבסיס באמצעות עקרון המתח של קירכהוף .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

כאשר לוקחים בחשבון טרנזיסטור סיליקון, יש לו Vbe = 0.7V

אז, Ib = (5-0.7) / 50

Ib = 56.8µA

לפיכך, הוכח שכאשר ערך הזרם בקצה הבסיס משופר מעל 56.8 µA, אז הטרנזיסטור NPN נע לאזור רוויה במצב כניסה 5V.

טרנזיסטור כמתג - PNP

פונקציונליות המיתוג עבור טרנזיסטורי PNP ו- NPN דומים אך השונות היא כי בטרנזיסטור PNP, זרם הזרם הוא ממסוף הבסיס. תצורת מיתוג זו משמשת לחיבורי הקרקע השליליים. כאן, לקצה הבסיס יש חיבור הטיה שלילי בהתאמה לקצה הפולט. כאשר המתח במסוף הבסיס הוא יותר-ve, תהיה זרימה של זרם בסיס. כדי להיות ברור, שכאשר קיימים שסתומי מתח מינימליים מאוד או -ve, זה הופך את הטרנזיסטור לקצר אם לא במעגל פתוח או אחר עכבה גבוהה .

בסוג זה של חיבור, העומס קשור ליציאת המיתוג יחד עם נקודת ייחוס. כאשר הטרנזיסטור PNP נמצא במצב ON, תהיה זרימה שוטפת ממקור לעומס ואז לקרקע באמצעות טרנזיסטור.

טרנזיסטור PNP כמתג

בדומה לפעולת החלפת טרנזיסטור NPN, קלט טרנזיסטור PNP נמצא גם בקצה הבסיס, ואילו מסוף הפולט מחובר למתח קבוע ומסוף הקולט מחובר לקרקע באמצעות עומס. התמונה למטה מסבירה את המעגל.

כאן מסוף הבסיס נמצא תמיד במצב הטיה שלילי בהתאמה לקצה הפולט ובסיס אותו חיבר בצד השלילי והפולט בצד החיובי של מתח הכניסה. משמעות הדבר היא שהמתח בבסיס לפולט הוא שלילי והמתח בפולט לקולט הוא חיובי. אז תהיה מוליכות טרנזיסטורים כאשר למתח הפולט יש רמה חיובית יותר מזו של מסופי הבסיס והקולט. לפיכך, המתח בבסיס צריך להיות שלילי יותר מזה של מסופים אחרים.

כדי לדעת את הערך של זרמי אספן ובסיס, אנו זקוקים לביטויים שלהלן.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. אחד

איפה Ub = Ic / β

כדי להיות ברור משיטת מיתוג זו, הבה נבחן דוגמה.

נניח שמעגל העומס זקוק ל -120 mA וערך הבטא של הטרנזיסטור הוא 120. ואז הערך הנוכחי הדרוש כדי שהטרנזיסטור יהיה במצב הרוויה הוא

Ib = Ic / β

= 120 מיליאמפר / 100

Ib = 1 mAmp

לכן, כשיש זרם בסיס של 1 mAmp, הטרנזיסטור נמצא במצב ON לחלוטין. בעוד שבתרחישים מעשיים, כ-30-40 אחוז מהזרם הנוסף נחוץ לצורך רוויה טרנזיסטורית תקינה. משמעות הדבר היא שזרם הבסיס הדרוש למכשיר הוא 1.3 מיליאמפר.

הפעלת החלפת טרנזיסטור דרלינגטון

במקרים ספורים הרווח הנוכחי של זרם ישר במכשיר ה- BJT הוא מינימלי מאוד למיתוג ישיר של מתח העומס או הזרם. בגלל זה משתמשים בטרנזיסטורים מיתוגיים. במצב זה, כלול מכשיר טרנזיסטור קטן להפעלה וכיבוי של מתג וערך זרם מוגבר לוויסות טרנזיסטור הפלט.

על מנת לשפר את רווח האות, מחוברים שני טרנזיסטורים בדרך של 'תצורת הרכבת רווח משלימה'. בתצורה זו גורם ההגברה הוא תוצאה של תוצר של שני טרנזיסטורים.

טרנזיסטור דרלינגטון

טרנזיסטורים דרלינגטון כלולים בדרך כלל בשני סוגי PNP ו- NPN דו-קוטביים של טרנזיסטורים כאשר אלה מחוברים באופן שערך הרווח של הטרנזיסטור הראשוני מוכפל עם ערך הרווח של מכשיר הטרנזיסטור השני.

זה מייצר את התוצאה שבה המכשיר מתפקד כטרנזיסטור יחיד בעל רווח זרם מקסימאלי אפילו עבור ערך זרם בסיס מינימלי. כל הרווח הנוכחי של מכשיר המתג של דרלינגטון הוא תוצר של ערכי הרווח הנוכחי של טרנזיסטורי PNP ו- NPN וזה מייצג כ:

β = β1 × β2

עם הנקודות שלעיל, טרנזיסטורים של דרלינגטון בעלי ערכי β מקסימליים וזרם אספן קשורים באופן פוטנציאלי למיתוג של טרנזיסטור יחיד.

לדוגמא, כאשר לטרנזיסטור הקלט ערך רווח נוכחי של 100 ולשני ערך רווח של 50, אז הרווח הנוכחי הכולל הוא

β = 100 × 50 = 5000

לכן, כאשר זרם העומס הוא 200 מיליאמפר, הערך הנוכחי בטרנזיסטור דרלינגטון בטרמינל הבסיס הוא 200 מיליאמפר / 5000 = 40 מיקרומפר אמפר, שהוא ירידה גדולה בהשוואה ל -1 מיליאמפר בעבר עבור מכשיר יחיד.

תצורות דרלינגטון

ישנם בעיקר שני סוגי תצורה בטרנזיסטור דרלינגטון ואלה

תצורת המתגים של הטרנזיסטור דרלינגטון מדגימה כי מסופי הקולט של שני המכשירים מחוברים למסוף הפולט של הטרנזיסטור הראשוני שיש לו חיבור לקצה הבסיס של מכשיר הטרנזיסטור השני. אז הערך הנוכחי במסוף הפולט של הטרנזיסטור הראשון ייווצר כזרם הקלט של הטרנזיסטור השני ובכך הופך אותו למצב פועל.

טרנזיסטור הכניסה שהוא הראשון מקבל את אות הכניסה שלו במסוף הבסיס. טרנזיסטור הקלט מתחזק באופן כללי וזה משמש להנעת הטרנזיסטורים היוצאים הבאים. המכשיר השני משפר את האות וזה גורם לערך מרבי של רווח הנוכחי. אחד המאפיינים המכריעים של הטרנזיסטור דרלינגטון הוא הרווח הנוכחי המרבי שלו כאשר הוא קשור למכשיר ה- BJT היחיד.

בנוסף ליכולת של מאפייני מתח מקסימליים ומיתוג זרם, היתרון הנוסף הנוסף הוא מהירויות המיתוג המקסימליות שלו. פעולת מיתוג זו מאפשרת להשתמש במכשיר באופן ספציפי למעגלי מהפך, מנוע DC, מעגלי תאורה ומטרות ויסות מנוע צעד.

הווריאציה שיש לקחת בחשבון תוך שימוש בטרנזיסטורים של דרלינגטון מזו של סוגי BJT בודדים קונבנציונליים בעת הטמעת הטרנזיסטור כמתג היא שמתח הכניסה בצומת הבסיס והפולט דורש להיות יותר שהוא כמעט 1.4 וולט למכשיר מסוג סיליקון, כמו בגלל חיבור סדרתי של שני צומת ה- PN.

חלק מהיישומים המעשיים הנפוצים של טרנזיסטור כמתג

בטרנזיסטור, אלא אם כן זרם זרם במעגל הבסיס, אין זרם שיכול לזרום במעגל הקולט. מאפיין זה יאפשר להשתמש בטרנזיסטור כמתג. הטרנזיסטור יכול להיות מופעל או כבוי על ידי שינוי הבסיס. יש כמה יישומים של מעגלי מיתוג המופעלים על ידי טרנזיסטורים. כאן שקלתי טרנזיסטור NPN כדי להסביר כמה יישומים המשתמשים במתג טרנזיסטור.

מתג מופעל באמצעות אור

המעגל תוכנן על ידי שימוש בטרנזיסטור כמתג, להדלקת הנורה בסביבה בהירה ולכיבוי בחושך ו נגד תלוי אור (LDR) בחלוקה הפוטנציאלית. כאשר הסביבה חשוכה ההתנגדות של LDR הופך לגבוה. ואז הטרנזיסטור מכובה. כאשר ה- LDR חשוף לאור הבהיר, התנגדותו יורדת לערך נמוך יותר וכתוצאה מכך מתח אספקה ​​רב יותר ומעלה את זרם הבסיס של הטרנזיסטור. כעת הטרנזיסטור מופעל, זרם הקולט זורם והנורה נדלקת.

מתג המופעל על ידי חום

מרכיב חשוב אחד במעגל של מתג המופעל על ידי חום הוא התרמיסטור. התרמיסטור הוא סוג של נגד שמגיב בהתאם לטמפרטורה שמסביב. עמידותו עולה כאשר הטמפרטורה נמוכה ולהיפך. כאשר מוחל חום על התרמיסטור, התנגדותו צונחת וזרם הבסיס עולה ואחריו עלייה גדולה יותר בזרם הקולט והצפירה תנשב. מעגל מסוים זה מתאים כמערכת אזעקת אש .

מתג המופעל על ידי חום

בקרת מנוע DC (נהג) במקרה של מתח גבוה

שקול שלא מפעילים מתח על הטרנזיסטור, ואז הטרנזיסטור נכבה ולא יזרם דרכו זרם. לָכֵן הממסר נשאר במצב OFF. כוח למנוע DC מוזן מהמסוף הסגור בדרך כלל (NC) של הממסר, כך שהמנוע יסתובב כאשר הממסר נמצא במצב OFF. הפעלת מתח גבוה בבסיס הטרנזיסטור BC548 גורמת להפעלת הטרנזיסטור ולסליל הממסר להמריץ.

דוגמה מעשית

כאן נדע את ערך זרם הבסיס הנדרש כדי להפוך טרנזיסטור למצב ON לחלוטין כאשר העומס זקוק לזרם של 200mA כאשר ערך הקלט מוגבר ל -5 וולט. כמו כן, דע את הערך של Rb.

הערך הנוכחי הבסיסי של הטרנזיסטור הוא

Ib = Ic / β שקול β = 200

Ib = 200mA / 200 = 1mA

ערך ההתנגדות הבסיסי של הטרנזיסטור הוא Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0.7) / 1 × 10^-3

Rb = 4.3kΩ

מתגי טרנזיסטור נמצאים בשימוש נרחב ביישומים מרובים כמו ממשק זרם עצום או ערך גבוה של ציוד מתח כגון מנועים, ממסרים או אורות לערך המינימלי של מתח, IC דיגיטלי או משמש בשערים לוגיים כגון AND שערים או OR. כמו כן, כאשר הפלט המועבר משער ההיגיון הוא + 5 וולט ואילו המכשיר שיש לווסת אותו עשוי להזדקק לקמוט 12 וולט או אפילו 24 וולט ממתח האספקה.

או שעומס כמו מנוע DC עשוי לדרוש פיקוח על מהירותו באמצעות כמה פעימות רציפות. מתגי טרנזיסטור מאפשרים פעולה זו להיות מהירה ופשוטה יותר בהשוואה לזו של מתגים מכניים מסורתיים.

מדוע להשתמש בטרנזיסטור במקום בורר?

בזמן הטמעת טרנזיסטור במקום מתג, אפילו כמות מזערית בסיסית מווסתת זרם עומס גבוה יותר במסוף הקולט. באמצעות טרנזיסטורים במקום המתג, התקנים אלה נתמכים בממסרים ובסולנואידים. בעוד שבמקרה בו יש לווסת רמות גבוהות יותר של זרמים או מתח, משתמשים בטרנזיסטורים של דרלינגטון.

בסך הכל, כסיכום, מעטים מהתנאים המופעלים בזמן הפעלת הטרנזיסטור כמתג הם

• תוך כדי שימוש ב- BJT כמתג, יש להפעיל אותו במצב ON או שלם ב- ON.
• תוך שימוש בטרנזיסטור כמתג, ערך מינימלי של זרם הבסיס מווסת את זרם עומס הקולט המוגבר.
• בזמן הטמעת טרנזיסטורים למעבר כממסרים וסולנואידים, עדיף להשתמש בדיודות גלגל תנופה.
• כדי לווסת ערכים גדולים יותר של מתח או זרמים, הטרנזיסטורים של דרלינגטון עובדים במקרה הטוב.

ומאמר זה סיפק מידע מקיף וברור על טרנזיסטור, אזורי פעולה, עבודה כמו מתג, מאפיינים, יישומים מעשיים. הנושא החשוב והקשור הנוסף שיש לדעת הוא מהו מתג טרנזיסטור לוגיקה דיגיטלית ותרשים המעגל שלה עובד?