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Anwendungen I: Schalter
Eine der grundlegendsten Anwendungen eines Transistors ist es, den Stromfluss zu einem anderen Teil der Schaltung zu steuern-indem er als elektrischer Schalter verwendet wird. Wenn der Transistor ihn entweder im Cutoff-oder Sättigungsmodus ansteuert, kann er den binären Ein/Aus-Effekt eines Schalters erzeugen.,
Transistorschalter sind kritische Schaltungsbausteine; Sie werden verwendet, um Logikgatter herzustellen, die Mikrocontroller, Mikroprozessoren und andere integrierte Schaltungen erzeugen. Unten sind ein paar Beispielschaltungen.
Transistorschalter
Schauen wir uns die grundlegendste Transistorschalterschaltung an: einen NPN-Schalter. Hier verwenden wir einen NPN, um eine Hochleistungs-LED zu steuern:
Unser Steuereingang fließt in die Basis, der Ausgang ist an den Kollektor gebunden und der Emitter wird auf einer festen Spannung gehalten.,
Während bei einem normalen Schalter ein Aktor physikalisch umgedreht werden müsste, wird dieser Schalter durch die Spannung am Basispin gesteuert. Ein Mikrocontroller-E / A-Pin wie der eines Arduino kann so programmiert werden, dass er hoch oder niedrig ist, um die LED ein-oder auszuschalten.
Wenn die Spannung an der Basis größer als 0,6 V ist (oder was auch immer der Vth Ihres Transistors sein mag), beginnt der Transistor zu sättigen und sieht aus wie ein Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter. Wenn die Spannung an der Basis kleiner als 0 ist.,6 V die transistor ist in cutoff modus — keine strom fließt, weil es sieht aus wie eine offene schaltung zwischen C und E.
Die schaltung oben ist als low-seite schalter, weil die schalter — unsere transistor — ist auf die niedrigen (boden) seite der schaltung. Alternativ können wir einen PNP-Transistor verwenden, um einen High-Side-Schalter zu erstellen:
Ähnlich wie bei der NPN-Schaltung ist die Basis unser Eingang und der Emitter ist an eine konstante Spannung gebunden. Diesmal ist der Emitter jedoch hoch gebunden, und die Last ist mit dem Transistor auf der Masseseite verbunden.,
Diese Schaltung funktioniert genauso gut wie der NPN-basierte Schalter, aber es gibt einen großen Unterschied: Um die Last „einzuschalten“, muss die Basis niedrig sein. Dies kann zu Komplikationen führen, insbesondere wenn die Hochspannung der Last (VCC als 12V-Anschluss an den Emitter VE in diesem Bild) höher ist als die Hochspannung unseres Steuereingangs. Zum Beispiel würde diese Schaltung nicht funktionieren, wenn Sie versuchen würden, einen 5V-betriebenen Arduino zu verwenden, um einen 12V-Motor auszuschalten. In diesem Fall wäre es unmöglich, den Schalter auszuschalten, da VB (Anschluss an den Steuerstift) immer kleiner als VE wäre .
Basiswiderstände!,
Sie werden feststellen, dass jede dieser Schaltungen einen Reihenwiderstand zwischen dem Steuereingang und der Basis des Transistors verwendet. Vergessen Sie nicht, diesen Widerstand hinzuzufügen! Ein Transistor ohne Widerstand an der Basis ist wie eine LED ohne Strombegrenzungswiderstand.
Denken Sie daran, dass ein Transistor in gewisser Weise nur ein Paar miteinander verbundener Dioden ist. Wir leiten die Basis-Emitter-Diode vor, um die Last einzuschalten. Die Diode benötigt nur 0,6 V zum Einschalten, mehr Spannung als das bedeutet mehr Strom. Einige Transistoren können nur für maximal 10-100mA Strom ausgelegt sein, um durch sie zu fließen., Wenn Sie einen Strom über die maximale Nennleistung liefern, könnte der Transistor explodieren.
Der Reihenwiderstand zwischen unserer Steuerquelle und der Basis begrenzt den Strom in die Basis. Der Basis-Emitter-Knoten kann seinen glücklichen Spannungsabfall von 0,6 V erhalten, und der Widerstand kann die verbleibende Spannung abfallen lassen. Der Wert des Widerstands und die Spannung darüber legen den Strom fest.
Der Widerstand muss groß genug sein, um den Strom effektiv zu begrenzen, aber klein genug, um die Basis ausreichend Strom zu versorgen., 1mA bis 10mA reichen normalerweise aus, überprüfen Sie jedoch das Datenblatt Ihres Transistors, um dies sicherzustellen.
Digitale Logik
Transistoren können kombiniert werden, um alle unsere grundlegenden Logikgatter zu erstellen: UND, ODER, und NICHT.
(Hinweis: Heutzutage werden MOSFETS eher zum Erstellen von Logikgattern verwendet als BJTs. MOSFETs sind energieeffizienter, was sie zur besseren Wahl macht.)
Inverter
Hier ist eine Transistorschaltung, die einen Inverter implementiert, oder NICHT gate:
Hier schaltet eine hohe Spannung in die Basis den Transistor ein, wodurch der Kollektor effektiv mit dem Emitter verbunden wird. Da der Emitter direkt mit Masse verbunden ist, wird der Kollektor auch sein (obwohl es etwas höher sein wird, irgendwo um VCE(sat) ~ 0,05-0,2 V). Wenn der Eingang niedrig ist, sieht der Transistor andererseits wie ein offener Stromkreis aus, und der Ausgang wird auf VCC
hochgezogen(Dies ist tatsächlich eine grundlegende Transistorkonfiguration, die als Common Emitter bezeichnet wird. Mehr dazu später.,)
UND Tor
Hier sind ein paar von transistoren verwendet, um erstellen Sie eine 2-input UND Gatter:
Wenn einer der Transistors ausgeschaltet ist, wird der Ausgang am Kollektor des zweiten Transistors niedrig gezogen. Wenn beide Transistoren „on“ sind (Basen beide hoch), ist auch der Ausgang der Schaltung hoch.
ODER Gate
Und schließlich ist hier ein 2-Eingang ODER Gate:
Wenn in dieser Schaltung entweder (oder beide) A oder B hoch sind, schaltet sich dieser jeweilige Transistor ein und zieht den Ausgang hoch. Wenn beide Transistoren ausgeschaltet sind, wird der Ausgang durch den Widerstand niedrig gezogen.
H-Brücke
Eine H-Brücke ist eine transistorbasierte Schaltung, die Motoren sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn antreiben kann. Es ist eine unglaublich beliebte Rennstrecke – die treibende Kraft hinter unzähligen Robotern, die sich sowohl vorwärts als auch rückwärts bewegen können müssen.,
Grundsätzlich ist eine H-Brücke eine Kombination von vier Transistoren mit zwei Eingangsleitungen und zwei Ausgängen:
(Hinweis: Eine gut gestaltete H-Bridge enthält normalerweise viel mehr Flyback-Dioden, Basiswiderstände und Schmidt-Trigger.)
Wenn beide Eingänge die gleiche Spannung haben, haben die Ausgänge zum Motor die gleiche Spannung und der Motor kann sich nicht drehen. Wenn die beiden Eingänge jedoch entgegengesetzt sind, dreht sich der Motor in die eine oder andere Richtung.,“>
Oscillators
An oscillator is a circuit that produces a periodic signal that swings between a high and low voltage., Oszillatoren werden in allen Arten von Schaltungen verwendet: vom einfachen Blinken einer LED über die Erzeugung eines Taktsignals bis hin zum Antrieb eines Mikrocontrollers. Es gibt viele Möglichkeiten, eine Oszillatorschaltung zu erstellen, einschließlich Quarzkristallen, Operationsverstärkern und natürlich Transistoren.
Hier ist ein Beispiel Schwingkreis, den wir einen astable multivibrator nennen. Durch die Verwendung von Feedback können wir ein Paar Transistoren verwenden, um zwei sich ergänzende, oszillierende Signale zu erzeugen.
Abgesehen von den beiden Transistoren sind die Kondensatoren der eigentliche Schlüssel zu dieser Schaltung., Die Kappen laden und entladen alternativ, wodurch die beiden Transistoren alternativ ein – und ausgeschaltet werden.
Die Analyse des Betriebs dieser Schaltung ist eine hervorragende Studie zum Betrieb von Kappen und Transistoren. Gehen Sie zunächst davon aus, dass C1 vollständig geladen ist (Speichern einer Spannung von etwa VCC), C2 entladen ist, Q1 eingeschaltet ist und Q2 ausgeschaltet ist. Folgendes passiert danach:
- Wenn Q1 eingeschaltet ist, ist die linke Platte von C1 (im Schaltplan) mit etwa 0V verbunden. ,
- Während C1 entladen wird, lädt C2 schnell durch den unteren Wert Widerstand — R4.
- Sobald C1 vollständig entladen ist, wird die rechte Platte auf etwa 0,6 V hochgezogen, wodurch Q2 eingeschaltet wird.
- An dieser Stelle haben wir Zustände getauscht: C1 ist entladen, C2 ist geladen, Q1 ist aus und Q2 ist an. Jetzt machen wir den gleichen Tanz in die andere Richtung.
- Wenn Q2 eingeschaltet ist, kann C2 durch den Kollektor von Q2 entladen werden.
- Während Q1 ausgeschaltet ist, kann C1 relativ schnell über R1 aufgeladen werden.
- Sobald C2 vollständig entladen ist, wird Q1 wieder eingeschaltet und wir sind wieder in dem Zustand, in dem wir angefangen haben.,
Es kann schwierig sein, den Kopf herumzuwickeln. Hier finden Sie eine weitere hervorragende Demo dieser Schaltung.
Indem wir bestimmte Werte für C1, C2, R2 und R3 auswählen (und R1 und R4 relativ niedrig halten), können wir die Geschwindigkeit unserer Multivibratorschaltung einstellen:
Wenn also die Werte für Kappen und Widerstände auf 10µF bzw. Das bedeutet, dass jede LED etwa 1,5 Mal pro Sekunde blinkt.
Wie Sie wahrscheinlich bereits sehen können, gibt es Unmengen von Schaltungen, die Transistoren verwenden., Aber wir haben kaum an der Oberfläche gekratzt. Diese Beispiele zeigen meistens, wie der Transistor in Sättigungs-und Cut-Off-Modi als Schalter verwendet werden kann, aber was ist mit Verstärkung? Zeit für weitere Beispiele!