Comutatoarele cu tranzistoare pot fi utilizate pentru a comuta ON sau OFF un dispozitiv DC de joasă tensiune (de exemplu LED-uri) prin utilizarea unui tranzistor în starea sa saturată sau întreruptă.

Atunci când se utilizează ca amplificator de semnal AC, tranzistorii tensiunea de polarizare a bazei tranzistorului este aplicată astfel încât să funcționeze întotdeauna în regiunea sa "activă", adică partea liniară a curbelor caracteristice de ieșire utilizate.

Dar, ambele tranzistoare bipolare tip NPN și PNP pot fi făcute să funcționeze ca întrerupător solid-state tip "ON/OFF" prin polarizarea terminalului Bază al tranzistorilor diferită față de cea pentru un amplificator de semnal.

Întreruptoarele solid-state sunt una dintre principalele aplicații pentru utilizarea tranzistorului pentru a comuta o ieșire DC "ON" sau "OFF". Unele dispozitive de ieșire, cum ar fi LED-urile, necesită doar câțiva miliamperi la tensiuni DC de nivel logic și pot fi, prin urmare, comandate direct de ieșirea unei porți logice. Dar, dispozitivele de mare putere, cum ar fi motoarele, solenoizii sau lămpile, necesită adesea mai multă putere decât cea furnizată de o poartă logică obișnuită, astfel încât sunt utilizate comutatoare cu tranzistor.

Dacă circuitul folosește tranzistorul bipolar ca un comutator, atunci polarizarea tranzistorului, fie NPN sau PNP, este aranjată pentru a acționa tranzistorul la ambele margini ale curbelor caracteristice "I-V" pe care le-am văzut anterior.

Domeniile de funcționare pentru un comutator cu tranzistor sunt cunoscute sub numele de regiunea de saturație și regiunea de tăiere. Asta înseamnă că putem ignora polarizarea punctului Q de funcționare și circuitul divizor de tensiune necesar pentru amplificare și folosim tranzistorul ca un comutator, comandându-l înainte și înapoi între regiunile sale "complet oprit" ("cut-off") și "ON"(saturație) după cum se arată mai jos.

Regiunile de operare

Zona umbrită roz din partea de jos a curbelor reprezintă regiunea "Cut-off", în timp ce zona albastră din stânga reprezintă regiunea "Saturație" a tranzistorului. Ambele aceste regiuni de tranzistor sunt definite ca:

1. Regiunea de tăiere

Aici, condițiile de funcționare ale tranzistorului sunt curent de bază de intrare zero (IB), curent colector de ieșire zero (IC) și tensiune maximă a colectorului (VCE), ceea ce are ca rezultat un strat de epuizare mare și nici un curent care curge prin dispozitiv. Prin urmare, tranzistorul este comutat "complet oprit".

Caracteristici Cut-off

Deci, putem defini "regiunea de tăiere" sau "modul OFF", atunci când se utilizează un tranzistor bipolar ca un comutator, ca fiind cu ambele joncțiuni polarizate invers, VB < 0,7 V și IC = 0. Pentru un tranzistor PNP, potențialul emitorului trebuie să fie negativ în raport cu baza.

2. Regiunea de saturație

Aici tranzistorul va fi polarizat astfel încât să se aplice cantitatea maximă de curent de bază, rezultând un curent maxim al colectorului care duce la o cădere minimă a tensiunii colector-emitor, ceea ce conduce la scăderea nivelului de epuizare cât mai mic și la curentul maxim care curge prin tranzistor. Deci, tranzistorul este comutat "complet-ON".

Caracteristici de saturație

Atunci putem defini "regiunea de saturație" sau "modul ON", când se utilizează un tranzistor bipolar ca un comutator, ca fiind cu ambele joncțiuni polarizate direct VB > 0,7 V și IC = Maxim. Pentru un tranzistor PNP, potențialul emitorului trebuie să fie negativ față de bază.

Deci, tranzistorul funcționează ca un comutator solid-state "single-pole single-throw" (SPST). Cu un semnal zero aplicat la baza tranzistorului, acesta comută "OFF" acționând ca un comutator deschis și curent de colector zero. Cu un semnal pozitiv aplicat pe baza tranzistorului, comută "ON" ca un întrerupător închis și curentul maxim de circuit trece prin dispozitiv.

Cea mai simplă modalitate de a comuta puteri moderate până la mari este de a folosi tranzistorul cu o ieșire open-colector și terminalul emitor al tranzistorului conectat direct la masă. Atunci când se utilizează în acest fel, ieșirea open-colector a tranzistorului poate "absorbi" o tensiune externă furnizată, controlând astfel orice sarcină conectată.

Un exemplu de tranzistor NPN utilizat ca un comutator pentru a opera un releu este dat mai jos. La sarcinile inductive cum ar fi relee sau solenoizi, o diodă supresoare este plasată peste sarcină pentru a disipa EMF inversă generată de sarcina inductivă atunci când tranzistorul comută "OFF" și astfel protejează tranzistorul împotriva deteriorării. În cazul în care sarcina este de natura unui curent sau tensiune foarte mari, cum ar fi motoarele, încălzitoarele etc., atunci curentul de sarcină poate fi comandat printr-un releu adecvat așa cum se arată.

Circuitul de comutare cu tranzistor NPN

Circuitul seamănă cu circuitul Emitor-Comun pe care l-am privit în tutorialele anterioare. Diferența de această dată este aceea că pentru a acționa tranzistorul ca un comutator, tranzistorul trebuie să fie comutat fie complet "OFF" (cut-off) sau complet "ON" (saturat). Un comutator tranzistor ideal ar avea o rezistență infinită a circuitului între colector și emitor atunci când este oprit complet, rezultând zero curent care trece prin acesta și rezistență zero între colector și emitor atunci când este comutat "complet-ON", rezultând un curent maxim.

În practică, atunci când tranzistorul este oprit, mici curenți de scăpări circulă prin tranzistor iar atunci când este complet "ON", dispozitivul are o valoare scăzută a rezistenței, cauzând o tensiune de saturație mică (VCE) peste aceasta. Chiar dacă tranzistorul nu este un comutator perfect, atât în ​​zonele de tăiere cât și în cele de saturație, puterea disipată de tranzistor este minimă.

Pentru ca curentul de bază să circule, terminalul de intrare al bazei trebuie să fie făcut mai pozitiv decât emitorul, prin creșterea acestuia peste 0,7 volți necesari pentru un dispozitiv cu siliciu. Prin modificarea acestei tensiuni bază-emitor VBE, curentul de bază este modificat și, la rândul său, controlează cantitatea de curent de colector care curge prin tranzistor, după cum s-a discutat anterior.

Când debitul de curent de colector este maxim se spune că tranzistorul este saturat. Valoarea rezistorului din Bază determină cât de multă tensiune de intrare, și curentul de bază corespunzător, este necesară pentru a comuta tranzistorul complet "ON".

Tranzistorul ca un comutator. Exemplu nr. 1

Folosind valorile tranzistorului din tutorialele anterioare de: β = 200, Ic = 4 mA și IB = 20 uA, găsiți valoarea rezistorului de bază (RB) necesară pentru a comuta sarcina complet "ON" când tensiunea terminalului de intrare depășește 2,5 V.

Următoarea valoare inferioară standard este: 82 kΩ, ceea ce garantează că tranzistorul comutator este întotdeauna saturat.

Tranzistorul ca un comutator. Exemplu nr. 2

Folosind din nou aceleași valori, găsiți minimul curentului de bază necesar pentru a comuta tranzistorul "complet ON" (saturat) pentru o sarcină care necesită 200 mA de curent atunci când tensiunea de intrare este mărită la 5,0 V. Calculați, de asemenea, noua valoare a RB.

Curent de bază al tranzistorului:

Rezistența din baza tranzistorului:

Comutatoarele cu tranzistor sunt utilizate pentru o mare varietate de aplicații, cum ar fi interconectarea dispozitivelor mari de curent sau de înaltă tensiune, cum ar fi motoare, relee sau lămpi, la circuite digitale de joasă tensiune sau la porți logice, cum ar fi porțile AND sau porțile OR. Aici, ieșirea de la o poartă logică digitală este de numai 5 V, dar dispozitivul care trebuie comandat poate necesita o alimentare de 12 sau chiar 24 volți. Sau sarcina, cum ar fi un motor DC, ar putea avea nevoie să aibă viteza controlată cu ajutorul unei serii de impulsuri (Pulse Width Modulation). Comutatoarele cu tranzistor ne vor permite să facem acest lucru mai rapid și mai ușor decât cu comutatoare mecanice convenționale.

Comutator tranzistor cu logică digitală

Rezistorul de bază RB este necesar pentru a limita curentul de ieșire de la poarta logică.

Comutator cu tranzistor PNP

Putem folosi, de asemenea, tranzistoarele PNP ca switch, diferența de data aceasta este că sarcina este conectată la masă (0V) și tranzistorul PNP comută puterea la ea. Pentru a activa tranzistorul PNP ca un comutator "ON", terminalul Bază este conectat la masă sau la zero volți (LOW) așa cum se arată.

Circuit de comutare cu tranzistor PNP

Ecuațiile pentru calcularea rezistenței de Bază, a curentului de colector și a tensiunilor sunt exact aceleași ca și pentru comutatorul cu tranzistor NPN anterior. Diferența de data aceasta este că comutăm puterea cu un tranzistor PNP (curent furnizat), în loc de comutare la masă cu ​​un tranzistor NPN (curent absorbit).

Comutator cu tranzistor Darlington

Uneori, câștigul de curent DC al tranzistorului bipolar este prea mic pentru a comuta direct curentul sau tensiunea de sarcină, astfel încât sunt utilizate mai multe tranzistoare de comutare. Aici, un tranzistor de intrare mic este folosit pentru a comuta "ON" sau "OFF" un tranzistor de ieșire pentru operare curent mult mai mare. Pentru a maximiza amplificarea semnalului, cele două tranzistoare sunt conectate într-o "Configurație complexă de amplificare complementară" sau ceea ce se numește mai frecvent o "Configurație Darlington", factorul de amplificare fiind produsul celor două tranzistoare individuale.

Tranzistoarele Darlington conțin pur și simplu două tranzistoare individuale bipolare tip NPN sau PNP conectate împreună, astfel încât câștigul de curent al primului tranzistor este înmulțit cu câștigul de curent al celui de-al doilea tranzistor pentru a produce un dispozitiv care acționează ca un singur tranzistor cu un câștig de curent foarte mare pentru un curent de bază mult mai mic. Câștigul de curent global Beta (β) sau valoarea hfe a unui dispozitiv Darlington este produsul celor două câștiguri individuale ale tranzistoarelor și este dat de:

Deci, sunt posibile tranzistoare Darlington cu valori β foarte ridicate și curenți colectori mari comparativ cu un comutator cu un singur tranzistor. De exemplu, dacă primul tranzistor de intrare are un câștig de curent de 100 și al doilea tranzistor de comutare are un câștig de curent de 50 atunci câștigul total de curent va fi de 100*50 = 5000. De exemplu, dacă curentul de sarcină de mai sus este 200 mA, atunci curentul bazei Darlington este de numai 200 mA/5000 = 40 μA. O reducere imensă față de precedentul 1mA pentru un singur tranzistor.

Un exemplu cu cele două tipuri principale de configurații cu tranzistor Darlington sunt prezentate mai jos.

Configurații cu tranzistor Darlington

Configurația de comutare cu tranzistor Darlington NPN de mai sus arată Colectoarele celor două tranzistoare conectate împreună, cu Emitorul primului tranzistor conectat la Baza celui de-al doilea tranzistor, prin urmare, curentul de Emitor al primului tranzistor devine curentul de Bază al celui de-al doilea tranzistor comutându-l "ON".

Primul sau tranzistorul "de intrare" primește semnalul de intrare în Baza sa. Acest tranzistor îl amplifică în mod obișnuit și îl folosește pentru a comanda al doilea tranzistor mai mare, de ieșire. Al doilea tranzistor amplifică din nou semnalul, rezultând un câștig de curent foarte ridicat. Una dintre principalele caracteristici ale tranzistorului Darlington este câștigul lui de curent ridicat, comparativ cu un singur tranzistor bipolar.

Pe lângă capabilitățile mari de comutare a curentului și tensiunii, un alt avantaj al unui "comutator cu tranzistor Darlington" este viteza de comutare ridicată, făcându-l ideal pentru utilizarea în circuitele de invertor, în circuitele de iluminare și în aplicații de control cu motoare DC sau motoare pas cu pas.

O diferență care trebuie luată în considerare atunci când se utilizează tranzistoare Darlington ca un comutator, în locul tipurilor bipolare convenționale singure, este că tensiunea de intrare Bază-Emitor (VBE) trebuie să fie mai mare, la aprox. 1,4 V pentru dispozitivele din silicon, datorită celor două conexiuni serie a celor două joncțiuni PN.

Rezumat Tranzistorul ca un comutator

Deci, pentru a rezuma când se utilizează un tranzistor ca switch, se aplică următoarele condiții:

• Comutatoarele cu tranzistor pot fi utilizate pentru a comuta și controla lămpi, relee sau chiar motoare.

• Când folosiți tranzistor bipolar ca un comutator, trebuie să fie "complet OFF" sau "complet ON".

• Tranzistoarele care sunt complet "ON" se spune că se află în regiunea lor de saturație.

• Tranzistoarele care sunt complet "OFF" se spune că se află în regiunea lor Cut-off.

• Atunci când se utilizează tranzistorul ca comutator, un mic curent de bază controlează un curent de sarcină din colector mult mai mare.

• Atunci când se utilizează tranzistoare pentru comutarea sarcinilor inductive, cum ar fi relee și solenoizi, se utilizează o "diodă supresoare".

• Atunci când trebuie controlați curenți sau tensiuni mari, se pot utiliza Tranzistoare Darlington.

În următorul tutorial despre tranzistoare, ne vom uita la funcționarea tranzistorului cu efect de câmp în joncțiune cunoscut în mod obișnuit ca un JFET. Vom trasa, de asemenea, curbele caracteristice de ieșire asociate în mod obișnuit cu circuitele de amplificare JFET ca funcție a tensiunii Sursei de tensiunea de poartă.