Πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ – από τον
Το τρανζίστορ είναι ένα απλό εξάρτημα που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να δημιουργήσετε πολλά διασκεδαστικά έργα. Σε αυτόν τον πρακτικό οδηγό, θα μάθετε πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ, ώστε να μπορείτε να τα χρησιμοποιήσετε στο επόμενο κύκλωμά σας.
Και είναι στην πραγματικότητα αρκετά εύκολο, μόλις μάθετε τα βασικά. Θα επικεντρωθώ στα δύο πιο συνηθισμένα τρανζίστορ εδώ: το BJT και το MOSFET .
Το τρανζίστορ λειτουργεί σαν ηλεκτρονικός διακόπτης. Μπορεί να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει ένα ρεύμα. Ένας απλός τρόπος για να το σκεφτείτε είναι να δείτε το τρανζίστορ ως ρελέ χωρίς κινούμενα μέρη. Ένα τρανζίστορ είναι παρόμοιο με ένα ρελέ με την έννοια ότι μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε κάτι.
Αλλά ένα τρανζίστορ μπορεί επίσης να ενεργοποιηθεί μερικώς, κάτι που είναι χρήσιμο για την κατασκευή ενισχυτών.
Πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ (BJT)
Ας ξεκινήσουμε με το κλασικό τρανζίστορ NPN. Είναι ένα διπολικό τρανζίστορ σύνδεσης (BJT) και έχει τρία σκέλη:
- Βάση (β)
- Συλλέκτης (γ)
- Εκπομπός (ε)
Αν το ενεργοποιήσετε (ON), μπορεί να ρέει ρεύμα από τον συλλέκτη στον πομπό. Όταν είναι απενεργοποιημένο (OFF), δεν μπορεί να ρέει ρεύμα.
Στο παρακάτω παράδειγμα κυκλώματος, το τρανζίστορ είναι απενεργοποιημένο. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να διαρρεύσει ρεύμα μέσα από αυτό, επομένως η δίοδος εκπομπής φωτός (LED) είναι επίσης απενεργοποιημένη.
Για να ενεργοποιήσετε το τρανζίστορ, χρειάζεστε τάση περίπου 0,7V μεταξύ της βάσης και του εκπομπού.
Αν είχατε μια μπαταρία 0,7V, θα μπορούσατε να την συνδέσετε μεταξύ της βάσης και του εκπομπού και το τρανζίστορ θα είχε ενεργοποιηθεί.Δεδομένου ότι οι περισσότεροι από εμάς δεν έχουμε μπαταρία 0,7V, πώς ενεργοποιούμε το τρανζίστορ;
Εύκολο! Το τμήμα βάσης-εκπομπού ενός τρανζίστορ λειτουργεί σαν δίοδος . Μια δίοδος έχει μια ορθή τάση την οποία «αρπάζει» από τη διαθέσιμη τάση. Εάν προσθέσετε μια αντίσταση σε σειρά, η υπόλοιπη τάση πέφτει στα άκρα της αντίστασης.
Έτσι, θα έχετε αυτόματα περίπου 0,7V προσθέτοντας μια αντίσταση.
Αυτή είναι η ίδια αρχή που χρησιμοποιείτε για να περιορίσετε το ρεύμα που διαπερνά μια λυχνία LED, ώστε να βεβαιωθείτε ότι δεν θα εκραγεί.
Αν προσθέσετε επίσης ένα κουμπί, μπορείτε να ελέγξετε το τρανζίστορ, και επομένως τη λυχνία LED, να την ενεργοποιήσετε και να την απενεργοποιήσετε με ένα κουμπί:
Επιλογή τιμών στοιχείων
Για να επιλέξετε τις τιμές των συνιστωσών, υπάρχει ένα ακόμη πράγμα που πρέπει να γνωρίζετε για το πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ:
Όταν ένα ρεύμα ρέει από τη βάση στον πομπό, το τρανζίστορ ενεργοποιείται έτσι ώστε ένα μεγαλύτερο ρεύμα να μπορεί να ρέει από τον συλλέκτη στον πομπό.
Υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ των μεγεθών των δύο ρευμάτων. Αυτό ονομάζεται κέρδος του τρανζίστορ.
Για ένα τρανζίστορ γενικής χρήσης, όπως το BC547 ή το 2N3904, αυτό θα μπορούσε να είναι περίπου 100.
Αυτό σημαίνει ότι αν έχετε 0,1 mA που ρέει από τη βάση στον πομπό, μπορείτε να έχετε 10 mA (100 φορές περισσότερο) που ρέει από τον συλλέκτη στον πομπό.
Ποια τιμή αντίστασης χρειάζεστε για να ρέει η R1 στα 0,1mA;
Αν η μπαταρία είναι 9V και η σύνδεση βάσης-εκπομπού του τρανζίστορ λαμβάνει τάση 0,7V, τότε απομένουν 8,3V στην αντίσταση.
Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον νόμο του Ohm για να βρείτε την τιμή της αντίστασης:
Χρειάζεστε λοιπόν μια αντίσταση 83 kΩ. Αυτή δεν είναι μια τυπική τιμή, αλλά τα 82 kΩ είναι, και είναι αρκετά κοντά.
Η R2 υπάρχει για να περιορίσει το ρεύμα προς τη λυχνία LED. Μπορείτε να επιλέξετε την τιμή που θα επιλέγατε αν συνδέατε τη λυχνία LED και την αντίσταση απευθείας στην μπαταρία 9V, χωρίς το τρανζίστορ. Για παράδειγμα, το 1 kΩ θα πρέπει να λειτουργεί καλά.
Δείτε το βίντεο που εξήγησε το τρανζίστορ πριν από μερικά χρόνια (συγχωρήστε την παλιομοδίτικη ποιότητα):
Το τρανζίστορ NPN είναι το πιο συνηθισμένο από τα διπολικά τρανζίστορ σύνδεσης (BJT) . Υπάρχει όμως ένα άλλο που ονομάζεται τρανζίστορ PNP και λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο, απλώς όλα τα ρεύματα είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Όταν επιλέγετε ένα τρανζίστορ, το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να έχετε κατά νου είναι το ρεύμα που μπορεί να υποστηρίξει το τρανζίστορ. Αυτό ονομάζεται Ρεύμα Συλλέκτη (I C ).
Πώς λειτουργεί ένα τρανζίστορ MOSFET
Το τρανζίστορ MOSFET είναι ένας άλλος πολύ συνηθισμένος τύπος τρανζίστορ. Έχει επίσης τρεις ακίδες:
- Πύλη (g)
- Πηγή(ές)
- Αποστράγγιση (δ)
Ένα MOSFET λειτουργεί παρόμοια με το τρανζίστορ BJT, αλλά με μία σημαντική διαφορά:
Στο τρανζίστορ BJT , το ρεύμα από τη βάση στον πομπό καθορίζει πόσο ρεύμα μπορεί να ρέει από τον συλλέκτη στον πομπό.
Στο τρανζίστορ MOSFET , η τάση μεταξύ της πύλης και της πηγής καθορίζει πόσο ρεύμα μπορεί να ρέει από την αποχέτευση στην πηγή.
Παράδειγμα: Πώς να ενεργοποιήσετε ένα MOSFET
Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα κυκλώματος για την ενεργοποίηση ενός MOSFET.
Για να ενεργοποιήσετε ένα τρανζίστορ MOSFET, χρειάζεστε τάση μεταξύ πύλης και πηγής που να είναι υψηλότερη από την τάση κατωφλίου του τρανζίστορ σας. Για παράδειγμα, το BS170 έχει τάση κατωφλίου πύλης-πηγής 2,1V. (Θα βρείτε αυτές τις πληροφορίες στο φύλλο δεδομένων ).
Η τάση κατωφλίου ενός MOSFET είναι στην πραγματικότητα η τάση στην οποία απενεργοποιείται. Έτσι, για να ενεργοποιήσετε σωστά το τρανζίστορ, χρειάζεστε μια τάση λίγο υψηλότερη από αυτήν.
Το πόσο υψηλότερο εξαρτάται από το πόσο ρεύμα θέλετε να ρέει (και θα βρείτε αυτές τις πληροφορίες στο φύλλο δεδομένων). Αν υπερβείτε το όριο κατά μερικά βολτ, αυτό είναι συνήθως υπεραρκετό για πράγματα χαμηλού ρεύματος, όπως το άναμμα μιας λυχνίας LED.
Σημειώστε ότι ακόμα κι αν χρησιμοποιείτε αρκετά υψηλή τάση ώστε να ρέει ρεύμα 1A, αυτό δεν σημαίνει ότι θα έχετε 1A. Απλώς σημαίνει ότι θα μπορούσατε να έχετε 1A να ρέει αν θέλατε. Αλλά αυτό που θα συνδέσετε σε αυτό είναι που καθορίζει το πραγματικό ρεύμα.
Έτσι, μπορείτε να φτάσετε όσο ψηλά θέλετε, αρκεί να βεβαιωθείτε ότι δεν θα υπερβείτε το μέγιστο όριο τάσης πύλης-πηγής (το οποίο είναι 20V για το BS170).
Στο παραπάνω παράδειγμα, η πύλη συνδέεται στα 9V όταν πατάτε το κουμπί. Αυτό ενεργοποιεί το τρανζίστορ.
Επιλογή τιμών στοιχείων
Η τιμή του R1 δεν είναι κρίσιμη, αλλά περίπου τα 10 kΩ θα πρέπει να λειτουργούν καλά. Σκοπός του είναι να απενεργοποιήσει το MOSFET (περισσότερα για αυτό παρακάτω).
Το R2 ορίζει τη φωτεινότητα της λυχνίας LED. Το 1 kΩ θα πρέπει να λειτουργεί καλά για τις περισσότερες λυχνίες LED.
Το Q1 θα μπορούσε να είναι σχεδόν οποιοδήποτε MOSFET n-καναλιού, για παράδειγμα, BS170.
Πώς να απενεργοποιήσετε ένα MOSFET;
Ένα σημαντικό πράγμα που πρέπει να μάθετε για το MOSFET είναι ότι λειτουργεί επίσης λίγο σαν πυκνωτής . Δηλαδή, το μέρος πύλης-πηγής. Όταν εφαρμόζετε τάση μεταξύ πύλης και πηγής, αυτή η τάση παραμένει εκεί μέχρι να εκφορτιστεί.
Χωρίς την αντίσταση (R1) στο παραπάνω παράδειγμα, το τρανζίστορ δεν θα απενεργοποιούνταν. Με την αντίσταση, υπάρχει μια διαδρομή για να εκφορτιστεί ο πυκνωτής πύλης-πηγής, έτσι ώστε το τρανζίστορ να απενεργοποιηθεί ξανά.
Πώς να επιλέξετε ένα τρανζίστορ MOSFET
Το παραπάνω παράδειγμα χρησιμοποιεί ένα MOSFET N-καναλιού . Τα MOSFET P-καναλιού λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο, απλώς το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση και η τάση από την πύλη στην πηγή πρέπει να είναι αρνητική για να ενεργοποιηθεί.
Υπάρχουν χιλιάδες διαφορετικά MOSFET για να διαλέξετε. Αλλά αν θέλετε να κατασκευάσετε το παραπάνω παράδειγμα κυκλώματος και θέλετε μια συγκεκριμένη σύσταση, τα BS170 και IRF510 είναι δύο συνηθισμένα.
Δύο πράγματα που πρέπει να έχετε κατά νου όταν επιλέγετε ένα MOSFET είναι:
- Η τάση κατωφλίου από πύλη σε πηγή . Χρειάζεστε τάση υψηλότερη από αυτήν για να ενεργοποιήσετε το τρανζίστορ.
- Το συνεχές ρεύμα αποστράγγισης . Αυτή είναι η μέγιστη ποσότητα ρεύματος που μπορεί να διαρρεύσει μέσω του τρανζίστορ σας.
Υπάρχουν και άλλες σημαντικές παράμετροι που πρέπει να έχετε κατά νου, ανάλογα με το τι φτιάχνετε. Αλλά αυτό είναι εκτός του πεδίου εφαρμογής αυτού του άρθρου. Λάβετε υπόψη τις δύο παραπάνω παραμέτρους και θα έχετε ένα καλό σημείο εκκίνησης.
Ρεύμα πύλης MOSFET
Αν θέλετε να ελέγξετε ένα MOSFET από, για παράδειγμα, ένα Arduino ή ένα Raspberry Pi, υπάρχει κάτι άλλο που πρέπει να έχετε κατά νου: το ρεύμα που ρέει στην πύλη όταν ενεργοποιείτε το τρανζίστορ.
Όπως αναφέρθηκε εν συντομία παραπάνω, η πύλη-προς-πηγή ενός MOSFET λειτουργεί ως πυκνωτής .
Αυτό σημαίνει ότι μόλις φορτιστεί, δεν περνάει πλέον ρεύμα από μέσα του. Έτσι, όταν ένα MOSFET είναι ενεργοποιημένο, δεν περνάει ρεύμα από την πύλη.
Αλλά όταν ένα MOSFET είναι ενεργοποιημένο , υπάρχει ρεύμα, όπως ακριβώς όταν φορτίζετε έναν πυκνωτή. Για ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου, μπορεί να ρέει πολύ ρεύμα.
Για να προστατεύσετε το Arduino σας (ή οτιδήποτε χρησιμοποιείτε) από υπερβολικό ρεύμα, πρέπει να προσθέσετε μια αντίσταση πύλης MOSFET :
Συχνά τα 1000 Ω είναι μια αρκετά καλή τιμή για αυτό. Χρησιμοποιήστε τον νόμο του Ohm για να ελέγξετε για τη συγκεκριμένη περίπτωσή σας.
Γιατί χρειάζεστε ένα τρανζίστορ;
Μια συνηθισμένη ερώτηση που λαμβάνω είναι γιατί χρειαζόμαστε το τρανζίστορ; Γιατί να μην συνδέσουμε το LED και την αντίσταση απευθείας στην μπαταρία;
Το πλεονέκτημα ενός τρανζίστορ είναι ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα μικρό ρεύμα ή τάση για να ελέγξετε ένα πολύ μεγαλύτερο ρεύμα και τάση.
Αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο αν θέλετε να ελέγχετε πράγματα όπως κινητήρες, LED υψηλής ισχύος, ηχεία, ρελέ και άλλα από ένα Raspberry Pi/Arduino/μικροελεγκτή. Οι ακροδέκτες εξόδου από αυτές τις πλακέτες συνήθως μπορούν να παρέχουν μόνο μερικά μιλιαμπέρ στα 5V. Έτσι, αν θέλετε να ελέγχετε τα φώτα εξωτερικού χώρου 110V, δεν μπορείτε να το κάνετε απευθείας από τον ακροδέκτη.
Αντ' αυτού, θα μπορούσατε να το κάνετε μέσω ενός ρελέ . Αλλά ακόμη και το ρελέ συνήθως χρειάζεται περισσότερο ρεύμα από αυτό που μπορεί να παρέχει η ακίδα. Έτσι, θα χρειαστείτε ένα τρανζίστορ για να ελέγχετε το ρελέ:
Αλλά τα τρανζίστορ είναι επίσης χρήσιμα για απλούστερα κυκλώματα αισθητήρων, όπως αυτό το κύκλωμα αισθητήρα φωτός , το κύκλωμα αισθητήρα αφής ή το κύκλωμα γέφυρας H.
Χρησιμοποιούμε τρανζίστορ σχεδόν σε όλα τα κυκλώματα. Είναι πραγματικά το πιο σημαντικό εξάρτημα στα ηλεκτρονικά.
Το τρανζίστορ ως ενισχυτής
Το τρανζίστορ είναι επίσης αυτό που κάνει τους ενισχυτές να λειτουργούν. Αντί να έχει μόνο δύο καταστάσεις (ON/OFF), μπορεί επίσης να βρίσκεται οπουδήποτε μεταξύ "πλήρως ενεργοποιημένου" και "πλήρως απενεργοποιημένου".
Αυτό σημαίνει ότι ένα μικρό σήμα σχεδόν χωρίς ενέργεια μπορεί να ελέγξει ένα τρανζίστορ για να δημιουργήσει ένα πολύ ισχυρότερο αντίγραφο αυτού του σήματος στο τμήμα συλλέκτη-εκπομπού (ή πηγής αποστράγγισης) του τρανζίστορ. Με αυτόν τον τρόπο, το τρανζίστορ μπορεί να ενισχύσει μικρά σήματα.
Παρακάτω φαίνεται ένας απλός ενισχυτής για την οδήγηση ενός ηχείου. Όσο υψηλότερη είναι η τάση εισόδου, τόσο υψηλότερο είναι το ρεύμα από τη βάση στον πομπό και τόσο υψηλότερο είναι το ρεύμα που διαρρέει το ηχείο.
Μια μεταβαλλόμενη τάση εισόδου προκαλεί μεταβαλλόμενο ρεύμα στο ηχείο, γεγονός που δημιουργεί ήχο.
Κανονικά, θα προσθέτατε μερικές ακόμη αντιστάσεις για να πολώσετε το τρανζίστορ. Διαφορετικά, θα έχετε μεγάλη παραμόρφωση. Αλλά αυτό είναι για ένα άλλο άρθρο.
Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη χρήση του τρανζίστορ ως ενισχυτή, το electronics-lab.com έχει μερικά ωραία tutorials που παρουσιάζουν τις τρεις βασικές ρυθμίσεις ενισχυτή BJT.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου