Prebacivanje tranzistora za releje, motore i LED diode

Tranzistor može raditi kao elektronski prekidač za kontrolu struje u kolu. Koristi mali signal za uključivanje ili isključivanje većih opterećenja, što ga čini korisnim u mnogim elektronskim sistemima. Ovaj članak objašnjava kako se BJT i MOSFET tranzistori koriste u prebacivanju, uključujući kontrolu niske i visoke strane, bazne i kapijske otpornike, induktivnu zaštitu opterećenja i detaljno povezivanje mikrokontrolera.

KSNUMKS. Pregled prebacivanja tranzistora

Tranzistor je poluprovodnički uređaj koji može da funkcioniše kao elektronski prekidač za kontrolu protoka struje u kolu. Za razliku od mehaničkih prekidača koji fizički otvaraju ili zatvaraju put, tranzistor vrši prebacivanje elektronskim putem pomoću kontrolnog signala koji se primenjuje na njegovu bazu (BJT) ili kapiju (FET). U preklopnim aplikacijama, tranzistor radi samo u dva glavna regiona: regionu isključenja (stanje OFF), gde nema protoka struje i tranzistor se ponaša kao otvoreni prekidač, i regionu zasićenja (stanje ON), gde maksimalna struja teče sa minimalnim padom napona preko njega, ponašajući se kao zatvoreni prekidač.

Tranzistor Prebacivanje stanja

Tranzistorske aplikacije u sklopnim krugovima

Kontrola releja i solenoida

Tranzistori pokreću releje i solenoide obezbeđujući potrebnu struju kalema koju mikrokontroleri ne mogu direktno snabdevati. Fliback dioda se koristi za zaštitu od naponskih šiljaka.

LED i lampa Prebacivanje

Tranzistori prebacuju LED diode i male lampe koristeći niske kontrolne signale dok štite kontrolni krug od viška struje. Koriste se u indikatorima, displejima i kontroli osvetljenja.

Vozači motora

Tranzistori pokreću jednosmerne motore delujući kao prekidači visoke struje. Pover BJT ili MOSFET-ovi se koriste za pouzdanu kontrolu u robotici, ventilatorima, pumpama i sistemima za automatizaciju.

Kola za upravljanje napajanjem

Tranzistori se koriste u elektronskom prebacivanju napajanja, zaštiti i regulaciji. Pojavljuju se u punjačima baterija, DC pretvaračima i automatskim krugovima za kontrolu napajanja.

Interfejsi mikrokontrolera

Tranzistori povezuju mikrokontrolere sa opterećenjima velike snage. Oni pojačavaju slabe logičke signale i omogućavaju kontrolu releja, motora, zujalica i LED dioda visoke struje.

NPN tranzistor kao prekidač

NPN tranzistor se može koristiti kao elektronski prekidač za kontrolu opterećenja kao što su LED, releji i mali motori koristeći signal male snage iz uređaja kao što su senzori ili mikrokontroleri. Kada tranzistor radi kao prekidač, radi u dva regiona: cut-off (OFF stanje) i zasićenje (ON stanje). U regionu preseka, nema bazne struje teče, a tranzistor blokira struju na strani kolektora, tako da opterećenje ostaje isključeno. U regionu zasićenja, dovoljno bazne struje teče da u potpunosti uključite tranzistor, omogućavajući struji da prođe od kolektora do emitera i napajanje opterećenja.

Da biste koristili NPN tranzistor kao prekidač, bazni otpornik (RB) je potreban da ograniči struju koja ulazi u bazu. Baza struja se izračunava koristeći:

gde je IC struja kroz opterećenje, a βforced je smanjena vrednost pojačanja koja se koristi za bezbedno prebacivanje, β/10. Baza otpornik se zatim izračunava koristeći:

gde je VIN kontrolni napon i VBE je napon baza-emiter (oko 0.7V za silicijum tranzistore). Ove formule pomažu da se osigura da tranzistor prima dovoljno bazne struje da se pravilno prebaci bez oštećenja.

KSNUMKS. PNP tranzistor kao prekidač

PNP tranzistor se takođe može koristiti kao prekidač, ali se primenjuje u visokom bočnom prebacivanju, gde je opterećenje povezano sa zemljom i tranzistor kontroliše vezu sa pozitivnim naponom napajanja. U ovoj konfiguraciji, emiter PNP tranzistora je povezan sa + VCC, kolektor je povezan sa opterećenjem, a opterećenje se povezuje sa zemljom. Tranzistor se uključuje kada se baza povuče nisko (ispod napona emitera), a isključuje se kada se baza povuče visoko (blizu + VCC). To čini PNP tranzistore pogodnim za prebacivanje kola gde opterećenje mora biti direktno povezano sa pozitivnom šinom, kao što su automobilski kablovi i sistemi za distribuciju električne energije.

Da bi se ograničila struja koja teče u bazu, potreban je osnovni otpornik (RB). Baza struja se izračunava koristeći:

gde IC je kolektor struja i βforsirani se uzima kao jedna desetina tipičnog dobitka tranzistora za pouzdano prebacivanje. Vrednost baznog otpornika se zatim izračunava koristeći:

U PNP tranzistora, VBE je oko -0.7V kada napred pristrasan. Kontrolni signal mora biti povučen dovoljno nisko da napred-pristrasnost baza-emiter spoj i uključite tranzistor.

Baza otpornik u BJT Svitching

Kada koristite BJT tranzistor kao prekidač, bazni otpornik (RB) je potreban za kontrolu struje koja ulazi u bazni terminal. Otpornik štiti tranzistor i izvor kontrole, kao što je mikrokontroler pin, od previše struje. Bez ovog otpornika, spoj baza-emiter može izvući prekomernu struju i oštetiti tranzistor. Osnovni otpornik takođe obezbeđuje da tranzistor pravilno prebacuje između OFF i ON stanja.

Da biste u potpunosti uključili tranzistor (režim zasićenja), mora se obezbediti dovoljno osnovne struje. Osnovna struja IB se izračunava korišćenjem kolektora struje IC i sigurne vrednosti dobitaka koja se zove prinudna beta:

Umesto korišćenja normalnog pojačanja tranzistora (beta), niža vrednost koja se zove prinudna beta se koristi za bezbednost:

Nakon izračunavanja osnovne struje, osnovna vrednost otpornika se nalazi pomoću Ohmovog zakona:

Ovde, VIN je kontrolni napon, a VBE je napon baza-emiter, oko 0.7V za silicijum BJTs.

MOSFET prebacivanje u kontroli logičkog nivoa

MOSFET-ovi se koriste kao elektronski prekidači u modernim kolima jer nude veću efikasnost i manji gubitak snage u poređenju sa BJT-ovima. MOSFET funkcioniše primenom napona na svom terminalu, koji kontroliše protok struje između odvoda i izvora. Za razliku od BJT-a koji zahtevaju kontinuiranu baznu struju, MOSFET-ovi su naponski pogonjeni i ne crpe gotovo nikakvu struju na kapiji, što ih čini pogodnim za sisteme na baterije i mikrokontrolere.

MOSFET-ovi su poželjni za prebacivanje aplikacija jer podržavaju veće brzine prebacivanja, veće rukovanje strujom i veoma nizak otpor na RDS (uključen), što minimizira zagrevanje i gubitak energije. Oni se obično koriste u vozačima motora, LED trake, releji, pretvarači snage, i sistemi za automatizaciju. MOSFET-ovi na logičkom nivou su specijalno dizajnirani da se u potpunosti uključe pri niskim naponima kapije, KSNUMKSV ili KSNUMKSV, što ih čini idealnim za direktno povezivanje sa mikrokontrolerima kao što su Arduino, ESPKSNUMKS i Raspberri Pi bez potrebe za krugom drajvera kapije.

Najčešće korišćeni MOSFET-ovi na logičkom nivou uključuju:

• IRLZ44N – pogodan za prebacivanje opterećenja velike snage kao što su jednosmerni motori, releji i LED trake.

• AO3400 – kompaktni SMD MOSFET pogodan za digitalne komutacijske aplikacije male snage.

• IRLZ34N – koristi se za srednja do visoka strujna opterećenja u robotici i automatizaciji.

Prebacivanje niske i visoke strane

Prebacivanje niske strane

U nisko-side prebacivanje, tranzistor se nalazi između opterećenja i zemlje. Kada je tranzistor uključen, on završava put do zemlje i omogućava struju da teče kroz opterećenje. Ova metoda je jednostavna i laka za upotrebu, zbog čega je uobičajena u digitalnim i mikrokontrolerskim krugovima. Prebacivanje niske strane se vrši pomoću NPN tranzistora ili N-kanalnih MOSFET-ova jer ih je lako voziti sa kontrolnim signalom koji se odnosi na zemlju. Ovaj metod se koristi za zadatke kao što su prebacivanje LED, releja i malih motora.

Prebacivanje sa visokom stranom

U visokom bočnom prebacivanju, tranzistor se nalazi između napajanja i opterećenja. Kada se tranzistor uključi, on povezuje opterećenje sa pozitivnim naponom. Ovaj metod se koristi kada opterećenje mora ostati povezan sa zemljom zbog bezbednosnih ili referentnih razloga signala. Prebacivanje sa visokom stranom vrši se pomoću PNP tranzistora ili P-kanalnih MOSFET-ova. Međutim, to je nešto teže kontrolisati, jer baza ili kapija mora biti vođen na niži napon od napajanja da ga uključite. High-side prebacivanje se obično koristi u automobilskim kolima, sistemima na baterije i aplikacijama za kontrolu napajanja.

Zaštita od induktivnog prebacivanja opterećenja

Kada tranzistor se koristi za kontrolu induktivnih opterećenja kao što su motori, releji, solenoidi ili kalemovi, potrebna mu je zaštita od naponskih šiljaka. Ova opterećenja grade energiju u magnetnom polju dok struja teče kroz njih. U trenutku kada se tranzistor isključi, magnetno polje se urušava i oslobađa tu energiju kao iznenadni visokonaponski šiljak. Bez zaštite, ovaj šiljak može oštetiti tranzistor i uticati na ceo krug.

Da bi se to sprečilo, komponente zaštite se dodaju preko opterećenja. Najčešći je fliback dioda, kao što je 1N4007, povezan obrnuto preko kalema. Ova dioda daje struji siguran put za protok kada se tranzistor isključi, zaustavljajući naponski šiljak. U kolima u kojima se mora kontrolisati električni šum, RC snubber (otpornik i kondenzator u seriji) se koristi za smanjenje oštrih impulsa. Za kola koja se bave višim naponima, TVS (Transient Voltage Suppression) dioda se koristi za ograničavanje opasnih šiljaka i zaštitu elektronskih delova.

Mikrokontroler interfejs sa tranzistorskim prebacivanjem

Mikrokontroleri kao što su Arduino, ESP32 i STM32 mogu da obezbede samo malu izlaznu struju iz svojih GPIO pinova. Ova struja je ograničena na oko 20–40 mA, što nije dovoljno za napajanje uređaja kao što su motori, releji, solenoidi ili LED diode velike snage. Za kontrolu ovih većih strujnih opterećenja, tranzistor se koristi između mikrokontrolera i opterećenja. Tranzistor radi kao elektronski prekidač koji omogućava da mali signal iz mikrokontrolera kontroliše veću struju iz spoljnog izvora napajanja.

Prilikom izbora tranzistora, uverite se da može u potpunosti da se uključi sa izlaznim naponom mikrokontrolera. MOSFET-ovi na logičkom nivou su dobar izbor za veća opterećenja jer imaju nizak otpor ON i ostaju hladni tokom rada. BJTs kao što su 2N2222 su u redu za manja opterećenja.

Zaključak 

Tranzistori su pouzdani elektronski prekidači koji se koriste za kontrolu LED, releja, motora i strujnih kola. Korišćenjem ispravne baze ili otpornika, dodavanjem zaštite fliback za induktivne opterećenja, i odabirom pravog načina prebacivanja, kola postaju bezbedna i efikasna. Razumevanje prebacivanja tranzistora pomaže u dizajniranju stabilnih elektronskih sistema sa odgovarajućom kontrolom i zaštitom.

Često postavljana pitanja [FAK]

Zašto izabrati MOSFET umesto BJT za prebacivanje?

MOSFET prebacuje brže, ima manji gubitak snage i ne treba kontinuiranu struju kapije.

Šta uzrokuje tranzistor da se pregreje u prekidačkim kolima?

Toplota je uzrokovana gubitkom snage tokom prebacivanja, izračunato kao P = V × I, ako tranzistor nije u potpunosti uključen.

Šta je RDS(on) u MOSFET-u?

To je otpor ON između odvoda i izvora. Niži RDS (na) znači nižu toplotu i bolju efikasnost.

Može li tranzistor prebaciti AC opterećenja?

Ne direktno. Jedan tranzistor radi samo za DC. Za AC opterećenja koriste se SCR, TRIACs ili releji.

Zašto kapija ili baza ne bi trebalo da bude ostavljen plutajući?

Plutajuća kapija ili baza mogu pokupiti buku i izazvati slučajno prebacivanje, što dovodi do nestabilnog rada.

Kako se MOSFET kapija može zaštititi od visokog napona?

Koristite zener diodu između kapije i izvora da stegnete dodatni napon i sprečite oštećenje kapije.