Tranzystor może działać jako elektroniczny przełącznik do sterowania prądem w obwodzie. Wykorzystuje mały sygnał do włączania i wyłączania większych obciążeń, dzięki czemu jest przydatny w wielu systemach elektronicznych. W tym artykule wyjaśniono, w jaki sposób tranzystory BJT i MOSFET są wykorzystywane w przełączaniu, w tym sterowanie po stronie niskiej i wysokiej, rezystory bazy i bramki, ochrona obciążenia indukcyjnego i szczegółowo współpracujące z mikrokontrolerem.
Klasa C1. Przegląd przełączania tranzystorów
Klasa C2. Stany przełączania tranzystorów
Klasa C3. Zastosowania tranzystorów w obwodach przełączających
Klasa C4. Tranzystor NPN jako przełącznik
Klasa C5. Tranzystor PNP jako przełącznik
Klasa C6. Rezystor bazowy w przełączaniu BJT
Klasa C7. Przełączanie MOSFET w sterowaniu na poziomie logicznym
Klasa C8. Przełączanie po stronie niskiej i wysokiej
Klasa C9. Indukcyjne zabezpieczenie przełączania obciążenia
Klasa C10. Interfejs mikrokontrolera z przełączaniem tranzystorów
Klasa C11. Konkluzja
Klasa C12. Często zadawane pytania [FAQ]
Przegląd przełączania tranzystorów
Tranzystor to urządzenie półprzewodnikowe, które może działać jako przełącznik elektroniczny do sterowania przepływem prądu w obwodzie. W przeciwieństwie do przełączników mechanicznych, które fizycznie otwierają lub zamykają ścieżkę, tranzystor przełącza się elektronicznie za pomocą sygnału sterującego przyłożonego do jego bazy (BJT) lub bramki (FET). W zastosowaniach przełączających tranzystor działa tylko w dwóch głównych obszarach: obszarze odcięcia (stan OFF), w którym nie ma przepływu prądu, a tranzystor zachowuje się jak przełącznik otwarty, oraz obszarze nasycenia (stan włączony), w którym przepływa maksymalny prąd przy minimalnym spadku napięcia, działając jak zamknięty przełącznik.
Stany przełączania tranzystorów
| Region | Stan przełącznika | Opis | Użycie w przełączaniu |
|---|---|---|---|
| Odcięcie | WYŁĄCZONY | Brak przepływu prądu (obwód otwarty) | Używany |
| Aktywny | Liniowy | Częściowe przewodzenie | Unikaj (wzmacniacze) |
| Nasycenie | WŁ. | Maksymalne przepływy prądu (ścieżka zamknięta) | Używany |
Zastosowania tranzystorów w obwodach przełączających
Sterowanie przekaźnikiem i elektromagnesem
Tranzystory sterują przekaźnikami i solenoidami, dostarczając wymagany prąd cewki, którego mikrokontrolery nie mogą dostarczyć bezpośrednio. Dioda flyback służy do ochrony przed skokami napięcia.
Przełączanie diod LED i lamp
Tranzystory przełączają diody LED i małe lampki za pomocą niskich sygnałów sterujących, jednocześnie chroniąc obwód sterujący przed nadmiarem prądu. Znajdują zastosowanie we wskaźnikach, wyświetlaczach i sterowaniu oświetleniem.
Sterowniki silników
Tranzystory napędzają silniki prądu stałego, działając jako przełączniki wysokoprądowe. Tranzystory MOSFET lub MOSFET są używane do niezawodnego sterowania w robotyce, wentylatorach, pompach i systemach automatyki.
Obwody zarządzania energią
Tranzystory są stosowane w elektronicznym przełączaniu, ochronie i regulacji zasilania. Pojawiają się w ładowarkach akumulatorów, przetwornicach prądu stałego i obwodach automatycznej regulacji mocy.
Interfejsy mikrokontrolerów
Tranzystory łączą mikrokontrolery z obciążeniami dużej mocy. Wzmacniają słabe sygnały logiczne i umożliwiają sterowanie przekaźnikami, silnikami, brzęczykami i wysokoprądowymi diodami LED.
Tranzystor NPN jako przełącznik
Tranzystor NPN może być używany jako przełącznik elektroniczny do sterowania obciążeniami, takimi jak diody LED, przekaźniki i małe silniki, za pomocą sygnału o małej mocy z urządzeń, takich jak czujniki lub mikrokontrolery. Gdy tranzystor działa jako przełącznik, działa w dwóch obszarach: odcięcia (stan OFF) i nasycenia (stan ON). W obszarze odcięcia nie płynie prąd bazy, a tranzystor blokuje prąd po stronie kolektora, dzięki czemu obciążenie pozostaje WYŁĄCZONE. W obszarze nasycenia przepływa prąd bazowy wystarczający do całkowitego włączenia tranzystora, umożliwiając przepływ prądu z kolektora do emitera i zasilanie obciążenia.
Aby użyć tranzystora NPN jako przełącznika, wymagany jest rezystor bazy (RB) w celu ograniczenia prądu docierającego do bazy. Prąd bazowy oblicza się za pomocą:
gdzie IC to prąd płynący przez obciążenie, a βforced to zmniejszona wartość wzmocnienia używana do bezpiecznego przełączania, β/10. Rezystor bazowy jest następnie obliczany za pomocą:
gdzie VIN to napięcie sterujące, a VBE to napięcie baza-emiter (około 0,7 V dla tranzystorów krzemowych). Wzory te pomagają zapewnić, że tranzystor otrzymuje wystarczającą ilość prądu bazy, aby prawidłowo przełączać się bez uszkodzenia.
Tranzystor PNP jako przełącznik
Tranzystor PNP może być również używany jako przełącznik, ale jest stosowany w przełączaniu po stronie wysokiej, gdzie obciążenie jest podłączone do masy, a tranzystor steruje połączeniem z dodatnim napięciem zasilania. W tej konfiguracji emiter tranzystora PNP jest podłączony do +VCC, kolektor jest podłączony do obciążenia, a obciążenie łączy się z masą. Tranzystor włącza się, gdy baza jest ciągnięta w dół (poniżej napięcia emitera) i wyłącza się, gdy baza jest podciągnięta w górę (blisko +VCC). To sprawia, że tranzystory PNP nadają się do obwodów przełączających, w których obciążenie musi być podłączone bezpośrednio do szyny dodatniej, takich jak okablowanie samochodowe i systemy dystrybucji energii.
Aby ograniczyć prąd płynący do bazy, wymagany jest rezystor bazy (RB). Prąd bazowy oblicza się za pomocą:
gdzie IC jest prądem kolektora, a βforced jest traktowany jako jedna dziesiąta typowego wzmocnienia tranzystora dla niezawodnego przełączania. Wartość rezystora bazowego jest następnie obliczana za pomocą:
W tranzystorach PNP VBE wynosi około -0,7 V przy polaryzacji przewodzenia. Sygnał sterujący musi być przeciągnięty wystarczająco nisko, aby przewodzić złącze baza-emiter i włączyć tranzystor.
Rezystor bazowy w przełączaniu BJT
W przypadku używania tranzystora BJT jako przełącznika, rezystor bazowy (RB) jest wymagany do kontrolowania prądu płynącego do zacisku bazy. Rezystor chroni tranzystor i źródło sterujące, takie jak pin mikrokontrolera, przed zbyt dużym prądem. Bez tego rezystora złącze baza-emiter mogłoby pobierać nadmierny prąd i uszkodzić tranzystor. Rezystor bazowy zapewnia również, że tranzystor prawidłowo przełącza się między stanami OFF i ON.
Aby w pełni włączyć tranzystor (tryb nasycenia), należy zapewnić wystarczający prąd bazy. Prąd bazowy IB jest obliczany przy użyciu układu scalonego prądu kolektora i bezpiecznej wartości wzmocnienia zwanej wymuszoną beta:
Zamiast używać normalnego wzmocnienia tranzystora (beta), dla bezpieczeństwa stosuje się niższą wartość zwaną wymuszoną betą:
Po obliczeniu prądu bazy, wartość rezystora bazowego jest określana za pomocą prawa Ohma:
Tutaj VIN to napięcie sterujące, a VBE to napięcie baza-emiter, około 0,7 V dla krzemowych BJT.
Przełączanie MOSFET w sterowaniu na poziomie logicznym
Tranzystory MOSFET są używane jako przełączniki elektroniczne w nowoczesnych obwodach, ponieważ oferują wyższą wydajność i mniejsze straty mocy w porównaniu z BJT. Tranzystor MOSFET działa poprzez przyłożenie napięcia do zacisku bramki, który kontroluje przepływ prądu między drenem a źródłem. W przeciwieństwie do tranzystorów BJT, które wymagają ciągłego prądu bazy, tranzystory MOSFET są sterowane napięciem i prawie nie pobierają prądu na bramkę, dzięki czemu nadają się do systemów zasilanych bateryjnie i opartych na mikrokontrolerach.
Tranzystory MOSFET są preferowane do zastosowań przełączających, ponieważ obsługują większe prędkości przełączania, wyższą obsługę prądu i bardzo niską rezystancję włączenia RDS(on), co minimalizuje nagrzewanie i straty energii. Są powszechnie stosowane w sterownikach silników, taśmach LED, przekaźnikach, przetwornicach mocy i systemach automatyki. Tranzystory MOSFET na poziomie logicznym są specjalnie zaprojektowane do pełnego włączania przy niskich napięciach bramki, 5 V lub 3,3 V, dzięki czemu idealnie nadają się do bezpośredniego łączenia z mikrokontrolerami, takimi jak Arduino, ESP32 i Raspberry Pi, bez konieczności stosowania obwodu sterownika bramki.
Powszechnie używane tranzystory MOSFET na poziomie logicznym obejmują:
• IRLZ44N – nadaje się do przełączania obciążeń o dużej mocy, takich jak silniki prądu stałego, przekaźniki i taśmy LED.
• AO3400 – kompaktowy tranzystor MOSFET SMD odpowiedni do zastosowań w przełączaniu cyfrowym o małej mocy.
• IRLZ34N – stosowany do średnich i wysokich obciążeń prądowych w robotyce i automatyce.
Przełączanie po stronie niskiej i wysokiej
Przełączanie po stronie niskiej
W przypadku przełączania po stronie niskiej tranzystor jest umieszczany między obciążeniem a masą. Gdy tranzystor jest włączony, kończy drogę do masy i umożliwia przepływ prądu przez obciążenie. Ta metoda jest prosta i łatwa w użyciu, dlatego jest powszechna w obwodach cyfrowych i opartych na mikrokontrolerach. Przełączanie po stronie niskiej odbywa się za pomocą tranzystorów NPN lub tranzystorów MOSFET z kanałem N, ponieważ są one łatwe do sterowania za pomocą sygnału sterującego odniesionego do masy. Ta metoda jest używana do zadań takich jak przełączanie diod LED, przekaźników i małych silników.
Przełączanie po stronie wysokiej
W przypadku przełączania po stronie wysokiej tranzystor jest umieszczany między zasilaczem a obciążeniem. Gdy tranzystor się włączy, łączy obciążenie z zasilaniem o napięciu dodatnim. Ta metoda jest stosowana, gdy obciążenie musi pozostać podłączone do uziemienia ze względów bezpieczeństwa lub odniesienia sygnału. Przełączanie high-side odbywa się za pomocą tranzystorów PNP lub tranzystorów MOSFET z kanałem P. Jest to jednak nieco trudniejsze do kontrolowania, ponieważ baza lub bramka musi być doprowadzona do niższego napięcia niż zasilanie, aby je włączyć. Przełączanie po stronie wysokiej mocy jest powszechnie stosowane w obwodach samochodowych, systemach zasilanych bateryjnie i aplikacjach sterowania mocą.
Indukcyjna ochrona przełączania obciążenia
Gdy tranzystor jest używany do sterowania obciążeniami indukcyjnymi, takimi jak silniki, przekaźniki, solenoidy lub cewki, wymaga ochrony przed skokami napięcia. Obciążenia te gromadzą energię w polu magnetycznym, podczas gdy przepływa przez nie prąd. W momencie, gdy tranzystor się wyłącza, pole magnetyczne zapada się i uwalnia tę energię w postaci nagłego skoku wysokiego napięcia. Bez zabezpieczenia ten skok może uszkodzić tranzystor i wpłynąć na cały obwód.
Aby temu zapobiec, w poprzek ładunku dodawane są komponenty zabezpieczające. Najczęściej spotykaną z nich jest dioda flyback, taka jak 1N4007, podłączona odwrotnie w poprzek cewki. Dioda ta nadaje prądowi bezpieczną ścieżkę przepływu, gdy tranzystor wyłączy się, zatrzymując skok napięcia. W obwodach, w których szum elektryczny musi być kontrolowany, do redukcji ostrych impulsów stosuje się tłumik RC (rezystor i kondensator połączone szeregowo). W przypadku obwodów, które radzą sobie z wyższymi napięciami, dioda TVS (Transient Voltage Suppression) służy do ograniczania niebezpiecznych skoków i ochrony części elektronicznych.
Interfejs mikrokontrolera z przełączaniem tranzystorów
Mikrokontrolery takie jak Arduino, ESP32 i STM32 mogą zapewnić tylko niewielki prąd wyjściowy ze swoich pinów GPIO. Prąd ten jest ograniczony do około 20–40 mA, co nie wystarcza do zasilania urządzeń takich jak silniki, przekaźniki, elektromagnesy czy diody LED dużej mocy. Aby kontrolować te wyższe obciążenia prądowe, między mikrokontrolerem a obciążeniem używany jest tranzystor. Tranzystor działa jako przełącznik elektroniczny, który pozwala niewielkiemu sygnałowi z mikrokontrolera sterować większym prądem z zewnętrznego źródła zasilania.
Wybierając tranzystor, upewnij się, że może on w pełni włączyć się przy napięciu wyjściowym mikrokontrolera. Tranzystory MOSFET na poziomie logicznym są dobrym wyborem dla większych obciążeń, ponieważ mają niską rezystancję włączenia i pozostają chłodne podczas pracy. BJT, takie jak 2N2222, są odpowiednie dla mniejszych obciążeń.
| Mikrokontroler | Napięcie wyjściowe | Zalecany tranzystor |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) lub IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3,3 V | AO3400 (N-MOSFET) |
| Zobacz materiał STM32 | 3,3 V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Wnioski
Tranzystory to niezawodne przełączniki elektroniczne służące do sterowania diodami LED, przekaźnikami, silnikami i obwodami zasilania. Dzięki zastosowaniu odpowiedniego rezystora bazowego lub bramki, dodaniu ochrony przed cofaniem się falowania dla obciążeń indukcyjnych i wybraniu odpowiedniej metody przełączania, obwody stają się bezpieczne i wydajne. Zrozumienie przełączania tranzystorów pomaga w projektowaniu stabilnych systemów elektronicznych z odpowiednią kontrolą i ochroną.
Często zadawane pytania [FAQ]
Dlaczego warto wybrać MOSFET zamiast BJT do przełączania?
Tranzystor MOSFET przełącza się szybciej, ma mniejsze straty mocy i nie wymaga ciągłego prądu bramki.
Co powoduje przegrzanie tranzystora w obwodach przełączających?
Ciepło jest spowodowane utratą mocy podczas przełączania, obliczoną jako P = V × I, jeśli tranzystor nie jest całkowicie włączony.
Co to jest RDS(on) w MOSFET?
Jest to rezystancja włączenia między odpływem a źródłem. Niższy RDS(on) oznacza mniejsze ciepło i lepszą wydajność.
Czy tranzystor może przełączać obciążenia AC?
Nie bezpośrednio. Pojedynczy tranzystor działa tylko dla prądu stałego. W przypadku obciążeń AC stosuje się SCR, triac lub przekaźniki.
Dlaczego brama lub podstawa nie powinny być pozostawione w ruchu?
Pływająca brama lub podstawa może odbierać hałas i powodować losowe przełączanie, co prowadzi do niestabilnej pracy.
W jaki sposób można zabezpieczyć bramkę MOSFET przed wysokim napięciem?
Użyj diody Zenera między bramką a źródłem, aby zacisnąć dodatkowe napięcie i zapobiec uszkodzeniu bramki.