Il dispositivo principale nel dominio elettrico ed elettronico è la valvola regolata che consente a un segnale debole di regolare la maggiore quantità di flusso simile all'ugello che regola il flusso d'acqua da pompe, tubi e altri. In un periodo, questa valvola regolata implementata nel settore elettrico era costituita dai tubi a vuoto. L'implementazione e l'utilizzo dei tubi a vuoto erano buoni, ma la complicazione con questo era grande e il consumo di enorme energia elettrica che veniva erogata come calore che abbreviava il periodo di vita del tubo. In compenso a questo problema, il transistor è stato il dispositivo che ha fornito una buona soluzione che si adatta alle esigenze dell'intera industria elettrica ed elettronica. Questo dispositivo è stato inventato da 'William Shockley' nell'anno 1947. Per discutere di più, immergiamoci nell'argomento dettagliato di sapere che cos'è un transistor , implementando transistor come interruttore e molte caratteristiche.

Cos'è il transistor?

Un transistor è un dispositivo semiconduttore a tre terminali che possono essere utilizzati per applicazioni di commutazione, amplificazione di segnali deboli e in quantità di migliaia e milioni di transistor sono interconnessi e incorporati in un minuscolo circuito / chip integrato, che forma le memorie dei computer. Un interruttore a transistor, che viene utilizzato per l'apertura o la chiusura di un circuito, significa che il transistor è comunemente usato come interruttore nei dispositivi elettronici solo per le applicazioni a bassa tensione a causa della sua bassa energia consumo. Il transistor funziona come un interruttore quando si trova nelle regioni di cutoff e saturazione.

Tipi di transistor BJT

Fondamentalmente, un transistor è costituito da due giunzioni PN, queste giunzioni sono formate da sandwich di tipo N o di tipo P semiconduttore materiale tra una coppia del tipo opposto di materiali semiconduttori.

Giunzione bipolare i transistor sono classificati in tipi

NPN
PNP

Il transistor ha tre terminali, vale a dire Base, Emettitore e Collector. L'emettitore è un terminale fortemente drogato ed emette gli elettroni nella regione di Base. Il terminale di base è leggermente drogato e trasmette gli elettroni iniettati dall'emettitore sul collettore. Il terminale del collettore è drogato in modo intermedio e raccoglie gli elettroni dalla base.

Un transistor di tipo NPN è la composizione di due materiali semiconduttori drogati di tipo N tra uno strato semiconduttore drogato di tipo P come mostrato sopra. Allo stesso modo, i transistor di tipo PNP A sono la composizione di due materiali semiconduttori drogati di tipo P tra uno strato semiconduttore drogato di tipo N come mostrato sopra. Il funzionamento di entrambi i transistor NPN e PNP è lo stesso ma differiscono in termini di polarizzazione e polarità di alimentazione.

Transistor come interruttore

Se il circuito utilizza l'estensione Transistor BJT come interruttore h, quindi la polarizzazione del transistor, NPN o PNP, è predisposta per azionare il transistor su entrambi i lati delle curve caratteristiche I-V mostrate di seguito. Un transistor può essere utilizzato in tre modalità, regione attiva, regione di saturazione e regione di taglio. Nella regione attiva, il transistor funziona come un amplificatore. Come interruttore a transistor, funziona in due regioni e quelle sono Regione di saturazione (completamente acceso) e il Regione di cut-off (completamente spento). Il transistor come schema elettrico dell'interruttore è

Transistor come interruttore

Entrambi i tipi di transistor NPN e PNP possono essere utilizzati come interruttori. Poche applicazioni utilizzano un transistor di potenza come strumento di commutazione. Durante questa condizione, potrebbe non essere necessario utilizzare un altro transistor di segnale per pilotare questo transistor.

Modalità operative dei transistor

Possiamo osservare dalle caratteristiche di cui sopra, l'area ombreggiata in rosa nella parte inferiore delle curve rappresenta la regione di cut-off e l'area blu a sinistra rappresenta la regione di saturazione del transistor. queste regioni di transistor sono definite come

Regione di cut-off

Le condizioni operative del transistor sono zero corrente di base in ingresso (IB = 0), zero corrente di collettore in uscita (Ic = 0) e tensione massima del collettore (VCE) che si traduce in un grande strato di esaurimento e nessuna corrente che scorre attraverso il dispositivo.

Pertanto il transistor è impostato su 'Completamente spento'. Quindi possiamo definire la regione di cut-off quando si utilizza un transistor bipolare come interruttore come se le giunzioni dei transistor NPN siano polarizzate inversamente, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Modalità Cut-Off

Quindi possiamo definire la 'regione di interruzione' o la 'modalità OFF' quando si utilizza un transistor bipolare come interruttore, entrambe le giunzioni polarizzate inversamente, IC = 0 e VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Caratteristiche della regione di cut-off

Le caratteristiche nella regione di cut-off sono:

Sia la base che i terminali di ingresso sono collegati a terra, il che significa '0'
Il livello di tensione alla giunzione base-emettitore è inferiore a 0,7 V.
La giunzione base-emettitore è in condizione di polarizzazione inversa
Qui, il transistor funziona come un interruttore APERTO
Quando il transistor è completamente spento, si sposta nella regione di taglio
La giunzione base-collettore è in condizione di polarizzazione inversa
Non ci sarà flusso di corrente nel terminale del collettore, il che significa Ic = 0
Il valore di tensione alla giunzione emettitore-collettore e ai terminali di uscita è '1'

Regione di saturazione

In questa regione, il transistor sarà polarizzato in modo che venga applicata la quantità massima di corrente di base (IB), risultando nella corrente massima del collettore (IC = VCC / RL) e quindi risultando nella tensione minima del collettore-emettitore (VCE ~ 0) far cadere. In questa condizione, lo strato di esaurimento diventa il più piccolo possibile e la corrente massima che scorre attraverso il transistor. Pertanto il transistor è impostato su 'Fully-ON'.

Modalità saturazione

La definizione di 'regione di saturazione' o 'modalità ON' quando si utilizza un transistor NPN bipolare come interruttore significa che entrambe le giunzioni sono polarizzate in avanti, IC = Massimo e VB> 0,7 v. Per un transistor PNP, il potenziale dell'emettitore deve essere + ve rispetto alla base. Questo è il funzionamento del transistor come interruttore .

Caratteristiche della regione di saturazione

Il caratteristiche di saturazione siamo:

Sia la base che i terminali di ingresso sono collegati a Vcc = 5v
Il livello di tensione alla giunzione base-emettitore è superiore a 0,7 V.
La giunzione base-emettitore è in condizione di polarizzazione diretta
Qui, il transistor funziona come un interruttore CHIUSO
Quando il transistor è completamente spento, si sposta nella regione di saturazione
La giunzione base-collettore è in condizione di polarizzazione diretta
Il flusso di corrente nel terminale del collettore è Ic = (Vcc / RL)
Il valore di tensione alla giunzione emettitore-collettore e ai terminali di uscita è '0'
Quando la tensione alla giunzione collettore-emettitore è '0', significa che la condizione di saturazione ideale

Inoltre, il funzionamento del transistor come interruttore può essere spiegato in dettaglio come di seguito:

“definizione della scheda di interfaccia di rete nic ”

Transistor come interruttore - NPN

A seconda del valore di tensione applicato sul bordo di base del transistor, ha luogo la funzionalità di commutazione. Quando c'è una buona quantità di tensione che è ~ 0,7 V tra l'emettitore e i bordi della base, il flusso di tensione dal collettore al bordo dell'emettitore è zero. Quindi, il transistor in questa condizione si comporta come un interruttore e la corrente che scorre attraverso il collettore è considerata come la corrente del transistor.

Allo stesso modo, quando non c'è tensione applicata al terminale di ingresso, il transistor funziona nella regione di interruzione e funziona come un circuito aperto. In questo metodo di commutazione, il carico collegato a contatto con il punto di commutazione dove questo funge da punto di riferimento. Quindi, quando il transistor si sposta nella condizione 'ON', ci sarà un flusso di corrente dal terminale della sorgente a terra tramite il carico.

Transistor NPN come interruttore

Per essere chiari su questo metodo di commutazione, consideriamo un esempio.

Supponiamo che un transistor abbia un valore di resistenza di base di 50kOhm, la resistenza sul bordo del collettore è 0,7kOhm e la tensione applicata è di 5V e considera il valore beta pari a 150. Al bordo di base, viene applicato un segnale che varia tra 0 e 5V . Ciò corrisponde che l'uscita del collettore viene osservata modificando i valori della tensione di ingresso che sono 0 e 5V. Considera il diagramma seguente.

Quando V_QUESTO= 0, quindi I_C= V_DC/ R_C

IC = 5 / 0,7

Quindi, la corrente al terminale del collettore è 7,1 mA

Poiché il valore beta è 150, allora Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 µA

Quindi, la corrente di base è 47,3 µA

Con i valori di cui sopra, il valore più alto della corrente al terminale del collettore è di 7,1 mA nella condizione di tensione dal collettore all'emettitore è zero e il valore della corrente di base è 47,3 µA. Pertanto, è stato dimostrato che quando il valore della corrente sul bordo di base è aumentato oltre 47,3 µA, il transistor NPN si sposta nella regione di saturazione.

Supponiamo che un transistor abbia una tensione di ingresso di 0V. Ciò significa che la corrente di base è '0' e quando la giunzione dell'emettitore è messa a terra, l'emettitore e la giunzione di base non saranno in condizione di polarizzazione di inoltro. Quindi, il transistor è in modalità OFF e il valore di tensione sul bordo del collettore è 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Supponiamo che un transistor abbia una tensione di ingresso di 5V. Qui, il valore corrente sul bordo di base può essere conosciuto utilizzando Principio di tensione di Kirchhoff .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Quando si considera un transistor al silicio, ha Vbe = 0.7V

Quindi, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 µA

Pertanto, è stato dimostrato che quando il valore della corrente sul bordo della base è aumentato oltre i 56,8 µA, il transistor NPN si sposta in una regione di saturazione alla condizione di ingresso di 5V.

Transistor come interruttore - PNP

La funzionalità di commutazione per entrambi i transistor PNP e NPN è simile ma la variazione è che nel transistor PNP, il flusso di corrente proviene dal terminale di base. Questa configurazione di commutazione viene utilizzata per i collegamenti a massa negativa. Qui, il bordo di base ha una connessione di polarizzazione negativa in corrispondenza del bordo di emettitore. Quando la tensione al terminale di base è maggiore di -ve, ci sarà un flusso di corrente di base. Per essere chiari, quando esistono valvole di tensione molto minima o -ve, allora questo rende il transistor in cortocircuito se non a circuito aperto o altro alta impedenza .

In questo tipo di collegamento, il carico è collegato all'uscita di commutazione insieme a un punto di riferimento. Quando il transistor PNP è in condizione ON, ci sarà un flusso di corrente dalla sorgente al carico e quindi a terra tramite un transistor.

Transistor PNP come interruttore

“circuito convertitore buck dc dc ”

Come per l'operazione di commutazione del transistor NPN, l'ingresso del transistor PNP è anche sul bordo della base, mentre il terminale di emettitore è collegato a una tensione fissa e il terminale del collettore è collegato a terra tramite un carico. L'immagine sotto spiega il circuito.

Qui il terminale di base è sempre in una condizione di polarizzazione negativa in corrispondenza del bordo dell'emettitore e della base a cui è collegata sul lato negativo e l'emettitore sul lato positivo della tensione di ingresso. Ciò significa che la tensione dalla base all'emettitore è negativa e la tensione dall'emettitore al collettore è positiva. Quindi, ci sarà conduttività del transistor quando la tensione dell'emettitore ha un livello più positivo di quello dei terminali di base e del collettore. Pertanto, la tensione alla base dovrebbe essere più negativa di quella degli altri terminali.

Per conoscere il valore del collettore e delle correnti di base, abbiamo bisogno delle seguenti espressioni.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Uno

Dove Ub = Ic / β

Per essere chiari su questo metodo di commutazione, consideriamo un esempio.

Supponiamo che il circuito di carico necessiti di 120 mA e il valore beta del transistor sia 120. Quindi il valore di corrente necessario affinché il transistor sia in modalità di saturazione è

Ib = Ic / β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Quindi, quando c'è una corrente di base di 1 mAmp, il transistor è completamente in condizione ON. Mentre negli scenari pratici è necessario circa il 30-40% di corrente in più per una corretta saturazione del transistor. Ciò significa che la corrente di base necessaria per il dispositivo è di 1,3 mAmps.

Funzionamento di commutazione del transistor Darlington

In alcuni casi, il guadagno di corrente della corrente continua nel dispositivo BJT è minimo per la commutazione diretta della tensione o della corrente di carico. Per questo motivo, vengono utilizzati transistor di commutazione. In questa condizione, è incluso un piccolo dispositivo a transistor per l'accensione e lo spegnimento di un interruttore e un valore di corrente aumentato per la regolazione del transistor di uscita.

Al fine di migliorare il guadagno del segnale, due transistor sono collegati in modo da 'configurazione complementare di composizione del guadagno'. In questa configurazione, il fattore di amplificazione è il risultato del prodotto di due transistor.

Transistor Darlington

Transistor Darlington sono solitamente inclusi con due tipi di transistor PNP e NPN bipolari dove questi sono collegati in modo tale che il valore di guadagno del transistor iniziale viene moltiplicato per il valore di guadagno del secondo dispositivo a transistor.

Ciò produce il risultato in cui il dispositivo funziona come un singolo transistor avente il massimo guadagno di corrente anche per un valore di corrente di base minimo. L'intero guadagno di corrente del dispositivo interruttore Darlington è il prodotto dei valori di guadagno di corrente di entrambi i transistor PNP e NPN e questo è rappresentato come:

β = β1 × β2

Con i punti precedenti, i transistor Darlington aventi valori massimi di β e corrente di collettore sono potenzialmente correlati alla commutazione di un singolo transistor.

Ad esempio, quando il transistor di ingresso ha un valore di guadagno di corrente di 100 e il secondo ha un valore di guadagno di 50, il guadagno di corrente totale è

β = 100 × 50 = 5000

Quindi, quando la corrente di carico è 200 mA, il valore di corrente nel transistor Darlington al terminale di base è 200 mA / 5000 = 40 µAmps, con un grande decremento rispetto agli ultimi 1 mAmp per un singolo dispositivo.

Configurazioni Darlington

Ci sono principalmente due tipi di configurazione nel transistor Darlington e quelli lo sono

La configurazione dell'interruttore del transistore Darlington dimostra che i terminali di collettore dei due dispositivi sono collegati con il terminale di emettitore del transistore iniziale che ha una connessione con il bordo di base del secondo dispositivo a transistore. Quindi, il valore di corrente al terminale di emettitore del primo transistor si formerà come la corrente di ingresso del secondo transistor lo rende quindi in condizione On.

Il transistor di ingresso che è il primo riceve il suo segnale di ingresso al terminale di base. Il transistor di ingresso viene amplificato in modo generale e questo viene utilizzato per pilotare i successivi transistor di uscita. Il secondo dispositivo migliora il segnale e questo si traduce in un valore massimo di guadagno di corrente. Una delle caratteristiche cruciali del transistor Darlington è il suo guadagno di corrente massimo quando è correlato al singolo dispositivo BJT.

Oltre alla capacità di massima tensione e caratteristiche di commutazione di corrente, l'altro vantaggio aggiunto è la velocità massima di commutazione. Questa operazione di commutazione consente al dispositivo di essere utilizzato in modo specifico per circuiti inverter, motori CC, circuiti di illuminazione e scopi di regolazione del motore passo-passo.

La variazione da tenere in considerazione durante l'utilizzo dei transistor Darlington rispetto a quella dei tipi BJT singoli convenzionali quando si implementa il transistor come interruttore è che la tensione di ingresso alla base e alla giunzione dell'emettitore deve essere maggiore, che è quasi 1,4 V per il tipo di dispositivo al silicio, come a causa di un collegamento in serie delle due giunzioni PN.

Alcune delle applicazioni pratiche comuni del transistor come interruttore

In un transistor, a meno che una corrente non fluisca nel circuito di base, non vi è corrente che possa fluire nel circuito del collettore. Questa proprietà consentirà di utilizzare un transistor come interruttore. Il transistor può essere acceso o spento cambiando la base. Esistono alcune applicazioni dei circuiti di commutazione azionati da transistor. Qui, ho considerato il transistor NPN per spiegare alcune applicazioni che utilizzano l'interruttore a transistor.

Interruttore a luce

Il circuito è progettato utilizzando un transistor come interruttore, per accendere la lampadina in un ambiente luminoso e per spegnerla al buio e a Resistore dipendente dalla luce (LDR) nel potenziale divisore. Quando l'ambiente è buio La resistenza di LDR diventa alto. Quindi il transistor viene spento. Quando l'LDR è esposto alla luce intensa, la sua resistenza scende a un valore inferiore con conseguente maggiore tensione di alimentazione e aumento della corrente di base del transistor. Ora il transistor è acceso, la corrente del collettore scorre e la lampadina si accende.

Interruttore a comando termico

Un componente importante nel circuito di un interruttore a comando termico è il termistore. Il termistore è un tipo di resistenza che risponde a seconda della temperatura circostante. La sua resistenza aumenta quando la temperatura è bassa e viceversa. Quando il calore viene applicato al termistore, la sua resistenza diminuisce e la corrente di base aumenta seguita da un aumento maggiore della corrente del collettore e la sirena suonerà. Questo particolare circuito è adatto come sistema di allarme antincendio .

“le caratteristiche di un sistema di controllo ad anello aperto includono tutte le seguenti tranne ”

Interruttore a comando termico

Controllo motore CC (driver) in caso di alte tensioni

Considerare che non viene applicata alcuna tensione al transistor, quindi il transistor si spegne e non fluirà corrente attraverso di esso. Quindi il relè rimane nello stato OFF. Alimentazione al motore DC viene alimentato dal terminale Normalmente Chiuso (NC) del relè, quindi il motore ruoterà quando il relè è nello stato OFF. L'applicazione di alta tensione alla base del transistor BC548 provoca l'accensione del transistor e l'eccitazione della bobina del relè.

Esempio pratico

Qui, conosceremo il valore della corrente di base necessaria per portare un transistor completamente in condizione ON dove il carico necessita di una corrente di 200mA quando il valore di ingresso è aumentato a 5v. Inoltre, conosci il valore di Rb.

Il valore corrente di base del transistor è

Ib = Ic / β considera β = 200

Ib = 200mA / 200 = 1mA

Il valore di resistenza di base del transistor è Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10^-3

Rb = 4,3 kΩ

Gli interruttori a transistor sono ampiamente utilizzati in molteplici applicazioni come l'interfacciamento di correnti elevate o apparecchiature ad alto valore di tensione come motori, relè o luci al valore minimo di tensione, circuiti integrati digitali o utilizzati in porte logiche come porte AND o OR. Inoltre, quando l'uscita fornita dalla porta logica è + 5v, mentre il dispositivo che deve essere regolato potrebbe richiedere 12v o addirittura 24v della tensione di alimentazione.

Oppure il carico come il motore CC potrebbe richiedere il monitoraggio della sua velocità tramite alcuni impulsi continui. Gli interruttori a transistor consentono questa operazione più rapida e semplice rispetto a quella dei tradizionali interruttori meccanici.

Perché usare transistor invece di switch?

Durante l'implementazione di un transistor al posto di un interruttore, anche una quantità minima di corrente di base regola una corrente di carico più elevata nel terminale del collettore. Utilizzando transistor al posto dell'interruttore, questi dispositivi sono supportati con relè e solenoidi. Considerando che nel caso in cui devono essere regolati livelli più elevati di correnti o tensioni, vengono utilizzati transistor Darlington.

Nel complesso, in sintesi, alcune delle condizioni che vengono applicate durante il funzionamento del transistor come interruttore lo sono

Pur facendo uso di BJT come interruttore, allora deve essere azionato in condizioni ON incomplete o complete.
Durante l'utilizzo di un transistor come interruttore, un valore minimo della corrente di base regola l'aumento della corrente di carico del collettore.
Durante l'implementazione dei transistor per la commutazione come relè e solenoidi, è meglio utilizzare diodi a volano.
Per regolare valori maggiori di tensione o corrente, i transistor Darlington funzionano al meglio.

Inoltre, questo articolo ha fornito informazioni complete e chiare su transistor, regioni operative, funzionamento come un interruttore, caratteristiche, applicazioni pratiche. L'altro argomento cruciale e correlato da conoscere è cos'è interruttore a transistor logico digitale e il suo funzionamento, schema elettrico?