Un tranzistor poate funcționa ca un comutator electronic pentru a controla curentul dintr-un circuit. Folosește un semnal mic pentru a porni sau opri sarcini mai mari, făcându-l util în multe sisteme electronice. Acest articol explică modul în care tranzistoarele BJT și MOSFET sunt utilizate în comutare, inclusiv controlul partea joasă și înaltă, rezistențele de bază și de poartă, protecția inductivă a sarcinii și interfața microcontrolerului în detaliu.
Prezentare generală a comutarii tranzistorului
Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor care poate funcționa ca un comutator electronic pentru a controla fluxul de curent într-un circuit. Spre deosebire de întrerupătoarele mecanice care deschid sau închid fizic o cale, un tranzistor efectuează comutarea electronică folosind un semnal de control aplicat bazei sale (BJT) sau porții (FET). În aplicațiile de comutare, tranzistorul funcționează doar în două regiuni principale: regiunea de întrerupere (starea OFF), unde nu există flux de curent și tranzistorul se comportă ca un comutator deschis, și regiunea de saturație (starea ON), unde curentul maxim curge cu o cădere minimă de tensiune peste el, acționând ca un comutator închis.
Stări de comutare a tranzistorului
| Regiune | Stare comutare | Descriere | Utilizare în comutare |
|---|---|---|---|
| Întrerupere | OPRIT | Fără fluxuri de curent (circuit deschis) | Folosit |
| Activ | Liniar | Conducție parțială | Evitați (amplificatoare) |
| Saturație | PORNIT | Fluxuri maxime de curent (traiectorie închisă) | Folosit |
Aplicații cu tranzistori în circuitele de comutare
Controlul releului și solenoidului
Tranzistoarele acționează releele și solenoizii furnizând curentul bobinei necesar pe care microcontrolerele nu îl pot furniza direct. O diodă flyback este utilizată pentru protecția împotriva vârfurilor de tensiune.
Comutarea LED-urilor și a lămpii
Tranzistoarele comută LED-urile și lămpile mici folosind semnale de control scăzute, protejând în același timp circuitul de control de excesul de curent. Sunt utilizate în indicatoare, afișaje și controlul iluminatului.
Drivere de motor
Tranzistoarele acționează ca întrerupătoare de curent continuu. BJT-urile de putere sau MOSFET-urile sunt utilizate pentru un control fiabil în robotică, ventilatoare, pompe și sisteme de automatizare.
Circuite de gestionare a energiei
Tranzistoarele sunt utilizate în comutarea, protecția și reglarea puterii electronice. Acestea apar în încărcătoarele de baterii, convertoarele de curent continuu și circuitele de control automat al puterii.
Interfețe cu microcontroler
Tranzistoarele interacționează microcontrolerele cu sarcini de mare putere. Acestea amplifică semnalele logice slabe și permit controlul releelor, motoarelor, soneriei și LED-urilor de curent ridicat.
Tranzistor NPN ca comutator
Un tranzistor NPN poate fi folosit ca comutator electronic pentru a controla sarcini precum LED-uri, relee și motoare mici folosind un semnal de putere redusă de la dispozitive precum senzori sau microcontrolere. Când tranzistorul funcționează ca un comutator, acesta funcționează în două regiuni: întrerupere (stare OFF) și saturație (stare ON). În regiunea de întrerupere, nu curge curent de bază, iar tranzistorul blochează curentul pe partea colectorului, astfel încât sarcina rămâne oprită. În regiunea de saturație, curge suficient curent de bază pentru a porni complet tranzistorul, permițând curentului să treacă de la colector la emițător și să alimenteze sarcina.
Pentru a utiliza un tranzistor NPN ca comutator, este necesar un rezistor de bază (RB) pentru a limita curentul care intră în bază. Curentul de bază se calculează utilizând:
unde IC este curentul prin sarcină, iar βforțat este o valoare de câștig redusă utilizată pentru comutarea în siguranță, β/10. Rezistența de bază este apoi calculată utilizând:
unde VIN este tensiunea de control și VBE este tensiunea emițătorului de bază (aproximativ 0,7V pentru tranzistori de siliciu). Aceste formule ajută la asigurarea faptului că tranzistorul primește suficient curent de bază pentru a comuta corect fără a fi deteriorat.
Tranzistor PNP ca comutator
Un tranzistor PNP poate fi folosit și ca comutator, dar este aplicat în comutarea laterală înaltă, unde sarcina este conectată la masă și tranzistorul controlează conexiunea la tensiunea de alimentare pozitivă. În această configurație, emițătorul tranzistorului PNP este conectat la +VCC, colectorul este conectat la sarcină, iar sarcina se conectează la masă. Tranzistorul pornește când baza este trasă jos (sub tensiunea emițătorului) și se oprește când baza este trasă sus (aproape de +VCC). Acest lucru face ca tranzistoarele PNP să fie potrivite pentru circuitele de comutare în care sarcina trebuie conectată direct la șina pozitivă, cum ar fi în cablarea auto și sistemele de distribuție a energiei.
Pentru a limita curentul care curge în bază, este necesar un rezistor de bază (RB). Curentul de bază se calculează utilizând:
unde IC este curentul colectorului și βforțat este luat ca o zecime din câștigul tipic al tranzistorului pentru comutare fiabilă. Valoarea rezistenței de bază este apoi calculată utilizând:
În tranzistorii PNP, VBE este de aproximativ -0,7 V atunci când este polarizat înainte. Semnalul de control trebuie să fie tras suficient de jos pentru a polariza joncțiunea bază-emițător și a porni tranzistorul.
Rezistor de bază în comutarea BJT
Când utilizați un tranzistor BJT ca comutator, este necesar un rezistor de bază (RB) pentru a controla curentul care intră în terminalul de bază. Rezistorul protejează tranzistorul și sursa de control, cum ar fi un pin de microcontroler, de prea mult curent. Fără acest rezistor, joncțiunea bază-emițător ar putea consuma curent excesiv și ar deteriora tranzistorul. Rezistența de bază asigură, de asemenea, că tranzistorul comută corect între stările OFF și ON.
Pentru a porni complet tranzistorul (modul de saturație), trebuie furnizat suficient curent de bază. Curentul de bază IB este calculat folosind curentul colector IC și o valoare sigură a câștigului numită beta forțat:
În loc să folosească câștigul normal al tranzistorului (beta), o valoare mai mică numită beta forțat este folosită pentru siguranță:
După calcularea curentului de bază, valoarea rezistenței de bază este găsită folosind legea lui Ohm:
Aici, VIN este tensiunea de control, iar VBE este tensiunea emițătorului de bază, în jur de 0,7 V pentru BJT-urile de siliciu.
Comutarea MOSFET în controlul la nivel logic
MOSFET-urile sunt utilizate ca comutatoare electronice în circuitele moderne, deoarece oferă o eficiență mai mare și pierderi de putere mai mici în comparație cu BJT-urile. Un MOSFET funcționează prin aplicarea unei tensiuni la borna sa de poartă, care controlează fluxul de curent între scurgere și sursă. Spre deosebire de BJT-urile care necesită curent de bază continuu, MOSFET-urile sunt acționate de tensiune și nu consumă aproape niciun curent la poartă, ceea ce le face potrivite pentru sistemele alimentate cu baterii și bazate pe microcontrolere.
MOSFET-urile sunt preferate pentru aplicațiile de comutare, deoarece acceptă viteze de comutare mai mari, manipulare mai mare a curentului și rezistență foarte scăzută la pornire RDS(on), ceea ce minimizează încălzirea și pierderile de energie. Sunt utilizate în mod obișnuit în drivere de motor, benzi LED, relee, convertoare de putere și sisteme de automatizare. MOSFET-urile la nivel logic sunt special concepute pentru a porni complet la tensiuni de poartă scăzute, 5V sau 3.3V, făcându-le ideale pentru interfața directă cu microcontrolere precum Arduino, ESP32 și Raspberry Pi fără a fi nevoie de un circuit de driver de poartă.
MOSFET-urile la nivel logic utilizate în mod obișnuit includ:
• IRLZ44N – potrivit pentru comutarea sarcinilor de mare putere, cum ar fi motoare de curent continuu, relee și benzi LED.
• AO3400 – MOSFET SMD compact potrivit pentru aplicații de comutare digitală cu putere redusă.
• IRLZ34N – utilizat pentru sarcini de curent mediu spre mare în robotică și automatizare.
Comutare partea joasă și superioară
Comutare pe partea joasă
În comutarea laterală joasă, tranzistorul este plasat între sarcină și masă. Când tranzistorul este pornit, acesta completează calea către masă și permite curentului să curgă prin sarcină. Această metodă este simplă și ușor de utilizat, motiv pentru care este comună în circuitele digitale și bazate pe microcontrolere. Comutarea pe partea joasă se face folosind tranzistori NPN sau MOSFET-uri cu canale N, deoarece sunt ușor de condus cu un semnal de control referit la masă. Această metodă este utilizată pentru sarcini precum comutarea LED-urilor, releelor și motoarelor mici.
Comutarea laterală înaltă
În comutarea high-side, tranzistorul este plasat între sursa de alimentare și sarcină. Când tranzistorul pornește, acesta conectează sarcina la sursa de tensiune pozitivă. Această metodă este utilizată atunci când sarcina trebuie să rămână conectată la masă din motive de siguranță sau de referință a semnalului. Comutarea high-side se face folosind tranzistori PNP sau MOSFET-uri cu canal P. Cu toate acestea, este puțin mai dificil de controlat, deoarece baza sau poarta trebuie să fie condusă la o tensiune mai mică decât sursa pentru a o porni. Comutarea high-side este utilizată în mod obișnuit în circuitele auto, sistemele alimentate cu baterii și aplicațiile de control al puterii.
Protecție inductivă la comutarea sarcinii
Când un tranzistor este utilizat pentru a controla sarcini inductive, cum ar fi motoare, relee, solenoizi sau bobine, are nevoie de protecție împotriva vârfurilor de tensiune. Aceste sarcini acumulează energie într-un câmp magnetic în timp ce curentul curge prin ele. În momentul în care tranzistorul se oprește, câmpul magnetic se prăbușește și eliberează acea energie ca un vârf brusc de înaltă tensiune. Fără protecție, acest vârf poate deteriora tranzistorul și poate afecta întregul circuit.
Pentru a preveni acest lucru, se adaugă componente de protecție pe toată sarcina. Cea mai comună este o diodă flyback, cum ar fi 1N4007, conectată invers prin bobină. Această diodă oferă curentului o cale sigură de curgere atunci când tranzistorul se oprește, oprind vârful de tensiune. În circuitele în care zgomotul electric trebuie controlat, se folosește un amortizor RC (un rezistor și un condensator în serie) pentru a reduce impulsurile ascuțite. Pentru circuitele care se ocupă de tensiuni mai mari, o diodă TVS (Transient Voltage Suppression) este utilizată pentru a limita vârfurile periculoase și pentru a proteja piesele electronice.
Interfață cu microcontroler cu comutare tranzistor
Microcontrolere precum Arduino, ESP32 și STM32 pot furniza doar un curent mic de ieșire de la pinii lor GPIO. Acest curent este limitat la aproximativ 20-40 mA, ceea ce nu este suficient pentru a alimenta dispozitive precum motoare, relee, solenoizi sau LED-uri de mare putere. Pentru a controla aceste sarcini de curent mai mari, se folosește un tranzistor între microcontroler și sarcină. Tranzistorul funcționează ca un comutator electronic care permite unui semnal mic de la microcontroler să controleze un curent mai mare de la o sursă de alimentare externă.
Când alegeți un tranzistor, asigurați-vă că se poate porni complet cu tensiunea de ieșire a microcontrolerului. MOSFET-urile la nivel logic sunt o alegere bună pentru sarcini mai mari, deoarece au rezistență scăzută la pornire și rămân reci în timpul funcționării. BJT-urile precum 2N2222 sunt bune pentru sarcini mai mici.
| Microcontroler | Tensiune de ieșire | Tranzistor recomandat |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) sau IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3,3 V | AO3400 (N-MOSFET) |
| STM32 | 3,3 V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Concluzie
Tranzistoarele sunt comutatoare electronice fiabile utilizate pentru a controla LED-urile, releele, motoarele și circuitele de alimentare. Prin utilizarea bazei corecte sau a rezistorului de poartă, adăugarea de protecție flyback pentru sarcinile inductive și alegerea metodei de comutare potrivite, circuitele devin sigure și eficiente. Înțelegerea comutarii tranzistorilor ajută la proiectarea sistemelor electronice stabile cu control și protecție adecvate.
Întrebări frecvente [FAQ]
De ce să alegeți un MOSFET în loc de un BJT pentru comutare?
Un MOSFET comută mai repede, are pierderi de putere mai mici și nu are nevoie de curent continuu de poartă.
Ce cauzează supraîncălzirea unui tranzistor în circuitele de comutare?
Căldura este cauzată de pierderea de putere în timpul comutarii, calculată ca P = V × I, dacă tranzistorul nu este complet pornit.
Ce este RDS(on) într-un MOSFET?
Este rezistența ON între scurgere și sursă. RDS(on) mai mic înseamnă căldură mai mică și eficiență mai bună.
Poate un tranzistor să comute sarcinile de curent alternativ?
Nu direct. Un singur tranzistor funcționează numai pentru DC. Pentru sarcinile AC, se folosesc SCR-uri, TRIAC sau relee.
De ce nu ar trebui să fie lăsată poarta sau baza plutitoare?
O poartă sau o bază plutitoare poate capta zgomot și poate provoca comutare aleatorie, ceea ce duce la o funcționare instabilă.
Cum poate fi protejată o poartă MOSFET de înaltă tensiune?
Utilizați o diodă zener între poartă și sursă pentru a clamp tensiunea suplimentară și pentru a preveni deteriorarea porții.