Transistori voi toimia elektronisena kytkimenä virran ohjaamiseksi piirissä. Se käyttää pientä signaalia suurempien kuormien kytkemiseen päälle tai pois, mikä tekee siitä hyödyllisen monissa elektronisissa järjestelmissä. Tässä artikkelissa selitetään yksityiskohtaisesti, kuinka BJT- ja MOSFET-transistoreita käytetään kytkennässä, mukaan lukien ala- ja yläpuolen ohjaus, kanta- ja hilavastukset, induktiivinen kuormitussuojaus ja mikro-ohjaimen liitäntä.
Transistorin kytkennän yleiskatsaus
Transistori on puolijohdelaite, joka voi toimia elektronisena kytkimenä ohjaamaan virran kulkua piirissä. Toisin kuin mekaaniset kytkimet, jotka fyysisesti avaavat tai sulkevat polun, transistori suorittaa kytkennän elektronisesti käyttämällä tukiasemaansa (BJT) tai porttiinsa (FET) kohdistettua ohjaussignaalia. Kytkentäsovelluksissa transistori toimii vain kahdella pääalueella: katkaisualueella (OFF-tila), jossa virtaa ei ole ja transistori käyttäytyy kuin avoin kytkin, ja kyllästysalueella (ON-tila), jossa maksimivirta kulkee minimaalisella jännitehäviöllä sen poikki ja toimii kuin suljettu kytkin.
Transistorin kytkentätilat
| Alue | Kytkimen tila | Kuvaus | Käyttö kytkennässä |
|---|---|---|---|
| Raja-arvo | POIS | Virtaa ei kulje (avoin piiri) | Käytetty |
| Aktiivinen | Lineaarinen | Osittainen johtuminen | Vältä (vahvistimet) |
| Kylläisyys | PÄÄLLÄ | Suurimmat virtavirrat (suljettu reitti) | Käytetty |
Transistorisovellukset kytkentäpiireissä
Releen ja solenoidin ohjaus
Transistorit ohjaavat releitä ja solenoideja tarjoamalla tarvittavan kelavirran, jota mikro-ohjaimet eivät voi syöttää suoraan. Flyback-diodia käytetään suojaamaan jännitepiikkeiltä.
LED ja Lamp kytkentä
Transistorit kytkevät LEDejä ja pieniä lamppuja käyttämällä alhaisia ohjaussignaaleja ja suojaavat ohjauspiiriä ylivirralta. Niitä käytetään ilmaisimissa, näytöissä ja valaistuksen ohjauksessa.
Moottorin ajurit
Transistorit ohjaavat tasavirtamoottoreita toimimalla suurvirtakytkiminä. Power BJT:tä tai MOSFETiä käytetään robotiikan, puhaltimien, pumppujen ja automaatiojärjestelmien luotettavaan ohjaukseen.
Virranhallintapiirit
Transistoreita käytetään elektronisessa tehonkytkennässä, suojauksessa ja säätelyssä. Niitä esiintyy akkulatureissa, tasavirtamuuntimissa ja automaattisissa tehonsäätöpiireissä.
Mikro-ohjaimen liitännät
Transistorit yhdistävät mikro-ohjaimet suuritehoisilla kuormilla. Ne vahvistavat heikkoja logiikkasignaaleja ja mahdollistavat relojen, moottoreiden, summerien ja suurvirta-LEDien ohjauksen.
NPN-transistori kytkimenä
NPN-transistoria voidaan käyttää elektronisena kytkimenä ohjaamaan kuormia, kuten LEDejä, releitä ja pieniä moottoreita, käyttämällä pienitehoista signaalia laitteista, kuten antureista tai mikro-ohjaimista. Kun transistori toimii kytkimenä, se toimii kahdella alueella: katkaisu (OFF-tila) ja kylläisyys (ON-tila). Katkaisualueella ei kulje perusvirtaa, ja transistori estää virran kollektorin puolella, joten kuorma pysyy POIS PÄÄLTÄ. Kyllästysalueella virtaa tarpeeksi perusvirtaa transistorin kytkemiseksi kokonaan päälle, jolloin virta kulkee kollektorista emitteriin ja antaa virtaa kuormalle.
NPN-transistorin käyttämiseksi kytkimenä tarvitaan kantavastus (RB) rajoittamaan kantaan menevää virtaa. Perusvirta lasketaan käyttämällä:
jossa IC on kuorman läpi kulkeva virta ja βforced on alennettu vahvistusarvo, jota käytetään turvalliseen kytkentään, β/10. Perusvastus lasketaan sitten käyttämällä:
jossa VIN on ohjausjännite ja VBE on emitterin perusjännite (noin 0.7 V piitransistoreille). Nämä kaavat auttavat varmistamaan, että transistori saa tarpeeksi perusvirtaa kytkeytyäkseen kunnolla vaurioitumatta.
PNP-transistori kytkimenä
PNP-transistoria voidaan käyttää myös kytkimenä, mutta sitä käytetään yläpuolen kytkennässä, jossa kuorma on kytketty maahan ja transistori ohjaa liitäntää positiiviseen syöttöjännitteeseen. Tässä kokoonpanossa PNP-transistorin emitteri on kytketty +VCC: hen, kollektori on kytketty kuormaan ja kuorma liitetään maahan. Transistori käynnistyy, kun alusta vedetään alas (emitterin tilavuuden alapuolellatage), ja se sammuu, kun alusta vedetään korkealle (lähellä +VCC:tä). Tämä tekee PNP-transistoreista sopivia kytkentäpiireihin, joissa kuorma on kytkettävä suoraan positiiviseen kiskoon, kuten autojen johdotuksissa ja sähkönjakelujärjestelmissä.
Alustaan virtaavan virran rajoittamiseksi tarvitaan kantavastus (RB). Perusvirta lasketaan käyttämällä:
jossa IC on kollektorivirta ja βpakotettu otetaan kymmenesosaksi transistorin tyypillisestä vahvistuksesta luotettavaa kytkentää varten. Kantavastuksen arvo lasketaan sitten käyttämällä:
PNP-transistoreissa VBE on noin -0.7 V eteenpäin esijännitettynä. Ohjaussignaali on vedettävä riittävän alas, jotta kanta-emitteriliitos on esiinnytetty eteenpäin ja transistori kytketään päälle.
Perusvastus BJT-kytkennässä
Kun kytkimenä käytetään BJT-transistoria, perusliittimeen menevän virran ohjaamiseen tarvitaan kantavastus (RB). Vastus suojaa transistoria ja ohjauslähdettä, kuten mikro-ohjaimen nastaa, liialliselta virralta. Ilman tätä vastusta kanta-emitteriliitos voi kuluttaa liikaa virtaa ja vahingoittaa transistoria. Perusvastus varmistaa myös, että transistori vaihtaa oikein OFF- ja ON-tilojen välillä.
Transistorin kytkemiseksi kokonaan päälle (kyllästystila) on oltava riittävästi perusvirtaa. Perusvirta IB lasketaan käyttämällä kollektorivirran IC:tä ja turvallista vahvistusarvoa, jota kutsutaan pakotetuksi betaksi:
Transistorin normaalivahvistuksen (beta) sijaan käytetään turvallisuuden vuoksi pienempää arvoa, jota kutsutaan pakotetuksi betaksi:
Perusvirran laskemisen jälkeen perusvastuksen arvo saadaan käyttämällä Ohmin lakia:
Tässä VIN on ohjausjännite ja VBE on emitterin perusjännite, noin 0.7 V pii-BJT:ille.
MOSFET-kytkentä logiikkatason ohjauksessa
MOSFETeja käytetään elektronisina kytkiminä nykyaikaisissa piireissä, koska ne tarjoavat paremman hyötysuhteen ja pienemmän tehohäviön verrattuna BJT:ihin. MOSFET toimii syöttämällä jännitteen hilaliittimeensä, joka ohjaa virran kulkua viemärin ja lähteen välillä. Toisin kuin BJT:t, jotka vaativat jatkuvaa perusvirtaa, MOSFET:t ovat jänniteohjattuja eivätkä kuluta juuri lainkaan virtaa portilla, joten ne soveltuvat akkukäyttöisiin ja mikrokontrolleripohjaisiin järjestelmiin.
MOSFETit ovat suositeltavia kytkentäsovelluksissa, koska ne tukevat nopeampia kytkentänopeuksia, suurempaa virrankäsittelyä ja erittäin alhaista ON-vastusta RDS(on), mikä minimoi lämmityksen ja energiahäviön. Niitä käytetään yleisesti moottoriajureissa, LED-nauhoissa, releissä, tehomuuntimissa ja automaatiojärjestelmissä. Logiikkatason MOSFETit on erityisesti suunniteltu kytkeytymään täysin päälle alhaisilla hilajännitteillä, 5 V tai 3.3 V, joten ne ovat ihanteellisia suoraan liittämiseen mikro-ohjaimien, kuten Arduinon, ESP32:n ja Raspberry Pi:n, kanssa ilman hilaohjainpiiriä.
Yleisesti käytettyjä logiikkatason MOSFET-järjestelmiä ovat:
• IRLZ44N – soveltuu suuritehoisten kuormien, kuten tasavirtamoottoreiden, releiden ja LED-nauhojen, kytkemiseen.
• AO3400 – kompakti SMD-MOSFET, joka soveltuu pienitehoisiin digitaalisiin kytkentäsovelluksiin.
• IRLZ34N – käytetään keskisuuriin ja suuriin virtakuormiin robotiikassa ja automaatiossa.
Matalan ja korkean puolen kytkentä
Matalan puolen kytkentä
Alapuolen kytkennässä transistori sijoitetaan kuorman ja maan väliin. Kun transistori kytketään päälle, se suorittaa polun maahan ja antaa virran kulkea kuorman läpi. Tämä menetelmä on yksinkertainen ja helppokäyttöinen, minkä vuoksi se on yleinen digitaalisissa ja mikrokontrolleripohjaisissa piireissä. Matalan puolen kytkentä tehdään NPN-transistoreilla tai N-kanavaisilla MOSFETeillä, koska niitä on helppo ajaa maahan viittaavan ohjaussignaalin avulla. Tätä menetelmää käytetään tehtäviin, kuten LEDien, releiden ja pienten moottoreiden kytkemiseen.
Yläpuolen kytkentä
Yläpuolen kytkennässä transistori sijoitetaan virtalähteen ja kuorman väliin. Kun transistori kytkeytyy päälle, se yhdistää kuorman positiiviseen jännitesyöttöön. Tätä menetelmää käytetään, kun kuorman on pysyttävä kytkettynä maahan turvallisuus- tai signaalireferenssisyistä. Yläpuolen kytkentä tehdään PNP-transistoreilla tai P-kanavaisilla MOSFETeillä. Sitä on kuitenkin hieman vaikeampi hallita, koska alusta tai portti on ajettava pienemmälle jännitteelle kuin syöttö, jotta se kytketään päälle. Yläpuolen kytkentää käytetään yleisesti autopiireissä, akkukäyttöisissä järjestelmissä ja tehonsäätösovelluksissa.
Induktiivisen kuorman kytkentäsuoja
Kun transistoria käytetään ohjaamaan induktiivisia kuormia, kuten moottoreita, releitä, solenoideja tai keloja, se tarvitsee suojan jännitepiikkeiltä. Nämä kuormat keräävät energiaa magneettikentässä, kun virta kulkee niiden läpi. Sillä hetkellä, kun transistori sammuu, magneettikenttä romahtaa ja vapauttaa tämän energian äkillisenä korkeajännitepiikkinä. Ilman suojaa tämä piikki voi vahingoittaa transistoria ja vaikuttaa koko piiriin.
Tämän estämiseksi kuormaan lisätään suojauskomponentteja. Yleisin on flyback-diodi, kuten 1N4007, joka on kytketty taaksepäin kelan poikki. Tämä diodi antaa virralle turvallisen reitin virtaamaan, kun transistori sammuu, pysäyttäen jännitepiikin. Piireissä, joissa sähköistä kohinaa on hallittava, terävien pulssien vähentämiseen käytetään RC-vaimenninta (vastus ja kondensaattori sarjassa). Piireissä, jotka käsittelevät korkeampia jännitteitä, käytetään TVS (Transient Voltage Suppression) -diodia vaarallisten piikkien rajoittamiseen ja elektronisten osien suojaamiseen.
Mikro-ohjainliitäntä transistorikytkennällä
Mikro-ohjaimet, kuten Arduino, ESP32 ja STM32, voivat tarjota vain pienen lähtövirran GPIO-nastoistaan. Tämä virta on rajoitettu noin 20–40 mA:iin, mikä ei riitä antamaan virtaa laitteille, kuten moottoreille, releille, solenoideille tai suuritehoisille LEDeille. Näiden suurempien virtakuormien ohjaamiseksi käytetään transistoria mikro-ohjaimen ja kuorman välillä. Transistori toimii elektronisena kytkimenä, jonka avulla mikro-ohjaimen pieni signaali ohjaa suurempaa virtaa ulkoisesta virtalähteestä.
Kun valitset transistoria, varmista, että se voi kytkeytyä kokonaan päälle mikro-ohjaimen lähtöjännitteellä. Logiikkatason MOSFETit ovat hyvä valinta suuremmille kuormille, koska niillä on alhainen ON-vastus ja ne pysyvät viileinä käytön aikana. BJT:t, kuten 2N2222, sopivat hyvin pienemmille kuormille.
| Mikro-ohjain | Lähtö Voltage | Suositeltu transistori |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) tai IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3,3 V | AO3400 (N-MOSFET) |
| STM32 | 3,3 V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Päätelmä
Transistorit ovat luotettavia elektronisia kytkimiä, joita käytetään LEDien, releiden, moottoreiden ja virtapiirien ohjaamiseen. Käyttämällä oikeaa kanta- tai hilavastusta, lisäämällä induktiivisten kuormien takaisinlentosuojausta ja valitsemalla oikean kytkentämenetelmän, piireistä tulee turvallisia ja tehokkaita. Transistorikytkennän ymmärtäminen auttaa suunnittelemaan vakaita elektronisia järjestelmiä, joissa on asianmukainen ohjaus ja suojaus.
Usein kysytyt kysymykset [FAQ]
Miksi valita MOSFET BJT:n sijaan vaihtamiseen?
MOSFET kytkeytyy nopeammin, sillä on pienempi tehohäviö eikä se tarvitse jatkuvaa hilavirtaa.
Mikä aiheuttaa transistorin ylikuumenemisen kytkentäpiireissä?
Lämpö johtuu kytkennän aikaisesta tehohäviöstä, joka lasketaan P = V × I, jos transistori ei ole täysin päällä.
Mikä on RDS(on) MOSFETissä?
Se on ON-vastus viemärin ja lähteen välillä. Pienempi RDS (päällä) tarkoittaa pienempää lämpöä ja parempaa hyötysuhdetta.
Voiko transistori kytkeä vaihtovirtakuormia?
Ei suoraan. Yksi transistori toimii vain tasavirralle. AC-kuormille käytetään SCR-, TRIAC- tai releitä.
Miksi porttia tai alustaa ei saa jättää kellumaan?
Kelluva portti tai alusta voi poimia melua ja aiheuttaa satunnaista vaihtoa, mikä johtaa epävakaaseen toimintaan.
Kuinka MOSFET-portti voidaan suojata korkealta jännitteeltä?
Käytä zener-diodia portin ja lähteen välissä lisäjännitteen kiinnittämiseen ja portin vaurioitumisen estämiseen.