Tranzistorių perjungimas relėms, varikliams ir šviesos diodams

Tranzistorius gali veikti kaip elektroninis jungiklis srovei grandinėje valdyti. Jis naudoja mažą signalą, kad įjungtų arba išjungtų didesnes apkrovas, todėl yra naudingas daugelyje elektroninių sistemų. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinama, kaip BJT ir MOSFET tranzistoriai naudojami perjungimui, įskaitant žemos ir aukštos pusės valdymą, pagrindo ir vartų rezistorius, indukcinę apsaugą nuo apkrovos ir mikrovaldiklio sąsają.

Tranzistoriaus perjungimo apžvalga

Tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas, galintis veikti kaip elektroninis jungiklis, valdantis srovės srautą grandinėje. Skirtingai nuo mechaninių jungiklių, kurie fiziškai atidaro arba uždaro kelią, tranzistorius perjungia elektroniniu būdu, naudodamas valdymo signalą, taikomą jo pagrindui (BJT) arba vartams (FET). Komutavimo programose tranzistorius veikia tik dviejuose pagrindiniuose regionuose: išjungimo srityje (OFF būsena), kur nėra srovės srauto, o tranzistorius elgiasi kaip atviras jungiklis, ir prisotinimo srityje (ON būsena), kur maksimali srovė teka su minimaliu įtampos kritimu, veikdamas kaip uždaras jungiklis.

Tranzistoriaus perjungimo būsenos

Tranzistorių taikymas perjungimo grandinėse

Relės ir solenoidų valdymas

Tranzistoriai varo reles ir solenoidus, suteikdami reikiamą ritės srovę, kurios mikrovaldikliai negali tiesiogiai tiekti. Apsaugai nuo įtampos šuolių naudojamas atgalinis diodas.

LED ir lempos perjungimas

Tranzistoriai perjungia šviesos diodus ir mažas lempas naudodami žemus valdymo signalus, tuo pačiu apsaugodami valdymo grandinę nuo perteklinės srovės. Jie naudojami indikatoriuose, ekranuose ir apšvietimo valdyme.

Variklio tvarkyklės

Tranzistoriai varo nuolatinės srovės variklius, veikdami kaip didelės srovės jungikliai. Galios BJT arba MOSFET naudojami patikimam robotikos, ventiliatorių, siurblių ir automatikos sistemų valdymui.

Maitinimo valdymo grandinės

Tranzistoriai naudojami elektroniniam galios perjungimui, apsaugai ir reguliavimui. Jie atsiranda akumuliatorių įkrovikliuose, nuolatinės srovės keitikliuose ir automatinėse galios valdymo grandinėse.

Mikrovaldiklių sąsajos

Tranzistoriai sąsaja su mikrovaldikliais su didelės galios apkrovomis. Jie sustiprina silpnus loginius signalus ir leidžia valdyti reles, variklius, garsinius signalus ir didelės srovės šviesos diodus.

NPN tranzistorius kaip jungiklis

NPN tranzistorius gali būti naudojamas kaip elektroninis jungiklis tokioms apkrovoms kaip šviesos diodai, relės ir maži varikliai valdyti, naudojant mažos galios signalą iš tokių prietaisų kaip jutikliai ar mikrovaldikliai. Kai tranzistorius veikia kaip jungiklis, jis veikia dviejuose regionuose: išjungimas (OFF būsena) ir prisotinimas (ON būsena). Išjungimo srityje bazinė srovė neteka, o tranzistorius blokuoja srovę kolektoriaus pusėje, todėl apkrova lieka išjungta. Sodrumo srityje teka pakankamai bazinės srovės, kad tranzistorius būtų visiškai įjungtas, leidžiantis srovei pereiti iš kolektoriaus į emiterį ir maitinti apkrovą.

Norint naudoti NPN tranzistorių kaip jungiklį, reikalingas bazinis rezistorius (RB), kad būtų apribota srovė, einanti į pagrindą. Bazinė srovė apskaičiuojama naudojant:

kur IC yra srovė per apkrovą, o βforced yra sumažinta stiprinimo vertė, naudojama saugiam perjungimui, β/10. Tada bazinis rezistorius apskaičiuojamas naudojant:

kur VIN yra valdymo įtampa, o VBE yra bazinė emiterio įtampa (apie 0,7 V silicio tranzistoriams). Šios formulės padeda užtikrinti, kad tranzistorius gautų pakankamai bazinės srovės, kad galėtų tinkamai persijungti nepažeidžiant.

PNP tranzistorius kaip jungiklis

PNP tranzistorius taip pat gali būti naudojamas kaip jungiklis, tačiau jis naudojamas aukštos pusės perjungimui, kai apkrova yra prijungta prie žemės, o tranzistorius kontroliuoja jungtį su teigiama maitinimo įtampa. Šioje konfigūracijoje PNP tranzistoriaus spindulys yra prijungtas prie +VCC, kolektorius - prie apkrovos, o apkrova - prie žemės. Tranzistorius įsijungia, kai pagrindas traukiamas žemai (žemiau emiterio įtampos), ir išsijungia, kai pagrindas traukiamas aukštai (arti +VCC). Dėl to PNP tranzistoriai tinka perjungti grandines, kuriose apkrova turi būti prijungta tiesiai prie teigiamo bėgio, pavyzdžiui, automobilių laiduose ir energijos paskirstymo sistemose.

Norint apriboti srovę, tekančią į pagrindą, reikalingas bazinis rezistorius (RB). Bazinė srovė apskaičiuojama naudojant:

kur IC yra kolektoriaus srovė, o βpriverstinis laikomas viena dešimtadaliu tipinio tranzistoriaus stiprinimo patikimam perjungimui. Tada bazinio rezistoriaus vertė apskaičiuojama naudojant:

PNP tranzistoriuose VBE yra maždaug -0,7 V, kai jis yra nukreiptas į priekį. Valdymo signalas turi būti ištrauktas pakankamai žemai, kad būtų galima nukreipti bazės ir emiterio sankryžą į priekį ir įjungti tranzistorių.

Bazinis rezistorius BJT perjungime

Naudojant BJT tranzistorių kaip jungiklį, norint valdyti srovę, einančią į pagrindinį gnybtą, reikalingas bazinis rezistorius (RB). Rezistorius apsaugo tranzistorių ir valdymo šaltinį, pvz., mikrovaldiklio kaištį, nuo per didelės srovės. Be šio rezistoriaus bazės ir emiterio sandūra gali ištraukti per didelę srovę ir sugadinti tranzistorių. Bazinis rezistorius taip pat užtikrina, kad tranzistorius tinkamai persijungtų tarp OFF ir ON būsenų.

Norint visiškai įjungti tranzistorių (prisotinimo režimą), reikia užtikrinti pakankamai bazinės srovės. Bazinė srovė IB apskaičiuojama naudojant kolektoriaus srovės IC ir saugią stiprinimo vertę, vadinamą priverstiniu beta:

Užuot naudojus įprastą tranzistoriaus stiprinimą (beta), saugumo sumetimais naudojama mažesnė vertė, vadinama priverstine beta:

Apskaičiavus bazinę srovę, bazinio rezistoriaus vertė nustatoma naudojant Ohmo dėsnį:

Čia VIN yra valdymo įtampa, o VBE yra bazinė emiterio įtampa, maždaug 0,7 V silicio BJT.

MOSFET perjungimas loginio lygio valdyme

MOSFET naudojami kaip elektroniniai jungikliai šiuolaikinėse grandinėse, nes jie pasižymi didesniu efektyvumu ir mažesniais galios nuostoliais, palyginti su BJT. MOSFET veikia įjungdamas įtampą į vartų gnybtą, kuris kontroliuoja srovės srautą tarp kanalizacijos ir šaltinio. Skirtingai nuo BJT, kuriems reikalinga nuolatinė bazinė srovė, MOSFET yra varomi įtampa ir beveik neima srovės prie vartų, todėl tinka baterijomis maitinamoms ir mikrovaldiklių sistemoms.

MOSFET yra pirmenybė perjungimo programoms, nes jie palaiko didesnį perjungimo greitį, didesnę srovę ir labai mažą ON varžą RDS (įjungta), o tai sumažina šildymą ir energijos nuostolius. Jie dažniausiai naudojami variklių tvarkyklėse, LED juostose, relėse, galios keitikliuose ir automatikos sistemose. Loginio lygio MOSFET yra specialiai sukurti visiškai įsijungti esant žemai vartų įtampai, 5 V arba 3,3 V, todėl jie idealiai tinka tiesioginei sąsajai su mikrovaldikliais, tokiais kaip Arduino, ESP32 ir Raspberry Pi, nereikalaujant vartų tvarkyklės grandinės.

Dažniausiai naudojami loginio lygio MOSFET:

• IRLZ44N – tinka didelės galios apkrovoms, tokioms kaip nuolatinės srovės varikliai, relės ir LED juostos, perjungti.

• AO3400 – kompaktiškas SMD MOSFET, tinkamas mažos galios skaitmeniniam komutavimui.

• IRLZ34N – naudojamas vidutinėms ir didelėms srovės apkrovoms robotikoje ir automatikoje.

Žemos ir aukštos pusės perjungimas

Žemos pusės perjungimas

Perjungiant žemą pusę, tranzistorius dedamas tarp apkrovos ir žemės. Įjungus tranzistorių, jis užbaigia kelią į žemę ir leidžia srovei tekėti per apkrovą. Šis metodas yra paprastas ir lengvai naudojamas, todėl jis yra įprastas skaitmeninėse ir mikrovaldiklių grandinėse. Žemosios pusės perjungimas atliekamas naudojant NPN tranzistorius arba N kanalo MOSFET, nes juos lengva valdyti su valdymo signalu, nukreiptu į žemę. Šis metodas naudojamas tokioms užduotims kaip šviesos diodų, relių ir mažų variklių perjungimas.

Perjungimas iš aukštos pusės

Perjungiant aukštą pusę, tranzistorius dedamas tarp maitinimo šaltinio ir apkrovos. Kai tranzistorius įsijungia, jis prijungia apkrovą prie teigiamos įtampos tiekimo. Šis metodas naudojamas, kai apkrova turi likti prijungta prie žemės saugumo ar signalo atskaitos sumetimais. Aukštos pusės perjungimas atliekamas naudojant PNP tranzistorius arba P kanalo MOSFET. Tačiau jį valdyti yra šiek tiek sunkiau, nes norint jį įjungti, pagrindas arba vartai turi būti įjungti į mažesnę įtampą nei maitinimo šaltinis. Aukštos pusės perjungimas dažniausiai naudojamas automobilių grandinėse, baterijomis maitinamose sistemose ir galios valdymo programose.

Indukcinė apkrovos perjungimo apsauga

Kai tranzistorius naudojamas indukcinėms apkrovoms, tokioms kaip varikliai, relės, solenoidai ar ritės, valdyti, jį reikia apsaugoti nuo įtampos šuolių. Šios apkrovos kaupia energiją magnetiniame lauke, o per jas teka srovė. Tuo metu, kai tranzistorius išsijungia, magnetinis laukas sugriūva ir išskiria tą energiją kaip staigus aukštos įtampos šuolis. Be apsaugos šis smaigalys gali sugadinti tranzistorių ir paveikti visą grandinę.

Norėdami to išvengti, apsauginiai komponentai pridedami per visą krovinį. Labiausiai paplitęs yra atgalinis diodas, pvz., 1N4007, sujungtas atbuline eiga per ritę. Šis diodas suteikia srovei saugų srauto kelią, kai tranzistorius išsijungia, sustabdydamas įtampos šuolius. Grandinėse, kuriose reikia valdyti elektrinį triukšmą, aštrių impulsų sumažinimui naudojamas RC slopintuvas (rezistorius ir kondensatorius nuosekliai). Grandinėms, susijusioms su aukštesne įtampa, pavojingiems šuoliams apriboti ir elektroninėms dalims apsaugoti naudojamas TVS (pereinamojo įtampos slopinimo) diodas.

Mikrovaldiklio sąsaja su tranzistoriaus perjungimu

Mikrovaldikliai, tokie kaip Arduino, ESP32 ir STM32, gali tiekti tik nedidelę išėjimo srovę iš savo GPIO kaiščių. Ši srovė ribojama iki maždaug 20–40 mA, kurios nepakanka tokiems įrenginiams kaip varikliai, relės, solenoidai ar didelės galios šviesos diodai maitinti. Šioms didesnėms srovės apkrovoms valdyti tarp mikrovaldiklio ir apkrovos naudojamas tranzistorius. Tranzistorius veikia kaip elektroninis jungiklis, leidžiantis mažam signalui iš mikrovaldiklio valdyti didesnę srovę iš išorinio maitinimo šaltinio.

Rinkdamiesi tranzistorių įsitikinkite, kad jis gali visiškai įsijungti esant mikrovaldiklio išėjimo įtampai. Loginio lygio MOSFET yra geras pasirinkimas didesnėms apkrovoms, nes jie turi mažą atsparumą ON ir išlieka vėsūs eksploatacijos metu. BJT, tokie kaip 2N2222, tinka mažesniems kroviniams.

Išvada 

Tranzistoriai yra patikimi elektroniniai jungikliai, naudojami šviesos diodams, relėms, varikliams ir maitinimo grandinėms valdyti. Naudojant tinkamą pagrindą arba vartų rezistorių, pridedant apsaugą nuo indukcinių apkrovų ir pasirinkus tinkamą perjungimo būdą, grandinės tampa saugios ir efektyvios. Tranzistorių perjungimo supratimas padeda sukurti stabilias elektronines sistemas su tinkamu valdymu ir apsauga.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

Kodėl perjungimui reikia rinktis MOSFET, o ne BJT?

MOSFET persijungia greičiau, turi mažesnius galios nuostolius ir nereikia nuolatinės vartų srovės.

Dėl ko tranzistorius perkaista perjungimo grandinėse?

Šilumą sukelia galios nuostoliai perjungimo metu, apskaičiuojami kaip P = V × I, jei tranzistorius nėra visiškai įjungtas.

Kas yra RDS(on) MOSFET?

Tai yra ON varža tarp kanalizacijos ir šaltinio. Mažesnis RDS (įjungtas) reiškia mažesnę šilumą ir didesnį efektyvumą.

Ar tranzistorius gali perjungti kintamosios srovės apkrovas?

Ne tiesiogiai. Vienas tranzistorius veikia tik nuolatinei srovei. Kintamosios srovės apkrovoms naudojami SCR, TRIAC arba relės.

Kodėl vartai ar pagrindas neturėtų būti palikti plūduriuojantys?

Plaukiojantys vartai ar pagrindas gali paimti triukšmą ir sukelti atsitiktinį perjungimą, dėl kurio veikia nestabiliai.

Kaip apsaugoti MOSFET vartus nuo aukštos įtampos?

Naudokite zenerio diodą tarp vartų ir šaltinio, kad užfiksuotumėte papildomą įtampą ir išvengtumėte vartų pažeidimų.