Транзистор может работать как электронный переключатель для управления током в цепи. Он использует слабый сигнал для включения или выключения больших нагрузок, что делает его полезным во многих электронных системах. В этой статье подробно объясняется, как транзисторы BJT и MOSFET используются в коммутации, включая управление цепью низкого и высокого напряжения, резисторы базы и затвора, индуктивную защиту нагрузки и взаимодействие микроконтроллеров.
С1. Обзор транзисторной коммутации
С2. Состояния переключения транзисторов
С3. Применение транзисторов в коммутационных цепях
С4. NPN транзистор в качестве переключателя
С5. PNP-транзистор в качестве переключателя
С6. Базовый резистор в коммутации BJT
С7. Коммутация МОП-транзисторов в управлении на логическом уровне
С8. Коммутация цепи низкого и высокого напряжения
С9. Защита от индуктивной коммутации нагрузки
С10. Интерфейс микроконтроллера с транзисторной коммутацией
С11. Заключение
С12. Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Обзор транзисторной коммутации
Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое может функционировать как электронный переключатель для управления потоком тока в цепи. В отличие от механических переключателей, которые физически размыкают или замыкают путь, транзистор выполняет переключение электронным способом с помощью управляющего сигнала, подаваемого на его базу (BJT) или вентиль (FET). В коммутационных приложениях транзистор работает только в двух основных областях: области среза (состояние OFF), где нет протекания тока и транзистор ведет себя как разомкнутый переключатель, и области насыщения (состояние ON), где максимальный ток протекает с минимальным падением напряжения через него, действуя как замкнутый переключатель.
Состояния переключения транзисторов
| Регион | Переключение состояния | Описание | Использование в коммутации |
|---|---|---|---|
| Отсечка | ВЫКЛ | Отсутствие протекания тока (разомкнутая цепь) | Б/у |
| Активный | Линейный | Частичная проводимость | Избегайте (усилители) |
| Насыщенность | ВКЛ | Протекание максимального тока (замкнутый тракт) | Б/у |
Применение транзисторов в коммутационных цепях
Управление реле и соленоидом
Транзисторы приводят в действие реле и соленоиды, обеспечивая необходимый ток катушки, который микроконтроллеры не могут подавать напрямую. Обратный диод используется для защиты от скачков напряжения.
Переключение светодиодов и ламп
Транзисторы коммутируют светодиоды и небольшие лампы, используя слабые управляющие сигналы, защищая при этом цепь управления от избыточного тока. Они используются в индикаторах, дисплеях и управлении освещением.
Водители моторов
Транзисторы приводят в движение двигатели постоянного тока, действуя как сильноточные переключатели. Силовые биполярные транзисторы или МОП-транзисторы используются для надежного управления в робототехнике, вентиляторах, насосах и системах автоматизации.
Цепи управления питанием
Транзисторы используются в электронной коммутации, защите и регулировании питания. Они появляются в зарядных устройствах для аккумуляторов, преобразователях постоянного тока и схемах автоматического управления питанием.
Интерфейсы микроконтроллеров
Транзисторы взаимодействуют с микроконтроллерами с мощными нагрузками. Они усиливают слабые логические сигналы и позволяют управлять реле, двигателями, зуммерами и сильноточными светодиодами.
NPN транзистор в качестве переключателя
Транзистор NPN можно использовать в качестве электронного переключателя для управления нагрузками, такими как светодиоды, реле и небольшие двигатели, используя сигнал малой мощности от таких устройств, как датчики или микроконтроллеры. Когда транзистор работает как переключатель, он работает в двух областях: срез (состояние OFF) и насыщение (состояние ON). В области среза базовый ток не протекает, а транзистор блокирует ток со стороны коллектора, поэтому нагрузка остается выключенной. В области насыщения протекает достаточное количество базового тока, чтобы полностью включить транзистор, позволяя току проходить от коллектора к эмиттеру и питать нагрузку.
Чтобы использовать NPN-транзистор в качестве переключателя, требуется базовый резистор (RB) для ограничения тока, поступающего в базу. Базовый ток рассчитывается с помощью:
где IC — ток через нагрузку, а βforced — уменьшенное значение коэффициента усиления, используемое для безопасного переключения, β/10. Затем базовый резистор рассчитывается с помощью:
где VIN — управляющее напряжение, а VBE — напряжение база-эмиттер (около 0,7 В для кремниевых транзисторов). Эти формулы помогают гарантировать, что транзистор получает достаточный базовый ток для правильного переключения без повреждения.
PNP-транзистор в качестве переключателя
Транзистор PNP также может использоваться в качестве переключателя, но он применяется при коммутации на высокой стороне, когда нагрузка подключается к земле, а транзистор контролирует подключение к положительному напряжению питания. В этой конфигурации излучатель PNP-транзистора подключается к +VCC, коллектор подключается к нагрузке, а нагрузка подключается к земле. Транзистор включается, когда база опускается на низком уровне (ниже напряжения эмиттера), и выключается, когда база поднимается на высокий уровень (близко к +VCC). Это делает транзисторы PNP подходящими для коммутационных цепей, где нагрузка должна быть подключена непосредственно к положительной шине, например, в автомобильной проводке и системах распределения питания.
Для ограничения тока, протекающего в базу, требуется базовый резистор (RB). Базовый ток рассчитывается с помощью:
где IC — ток коллектора, а βforced принимается за одну десятую от типичного коэффициента усиления транзистора для надежной коммутации. Затем значение базового резистора рассчитывается с помощью:
В транзисторах PNP VBE имеет напряжение примерно -0,7 В при прямом смещении. Управляющий сигнал должен быть потянут достаточно низко, чтобы сместить вперед переход база-эмиттер и включить транзистор.
Базовый резистор в коммутации BJT
При использовании транзистора BJT в качестве переключателя требуется базовый резистор (RB) для управления током, поступающим в клемму базы. Резистор защищает транзистор и источник управления, такой как вывод микроконтроллера, от слишком большого тока. Без этого резистора переход база-эмиттер может потреблять чрезмерный ток и повредить транзистор. Базовый резистор также обеспечивает правильное переключение транзистора между выключенным и включенным состояниями.
Для полного включения транзистора (режим насыщения) необходимо обеспечить достаточное количество базового тока. Базовый ток IB рассчитывается с использованием интегральной ИС тока коллектора и безопасного значения усиления, называемого принудительной бета:
Вместо использования нормального коэффициента усиления транзистора (бета) для безопасности используется более низкое значение, называемое принудительным бета:
После вычисления базового тока значение базового резистора находится с помощью закона Ома:
Здесь VIN — это управляющее напряжение, а VBE — напряжение базы-эмиттера, около 0,7 В для кремниевых BJT.
Коммутация МОП-транзисторов в управлении на логическом уровне
МОП-транзисторы используются в качестве электронных переключателей в современных схемах, поскольку они обеспечивают более высокую эффективность и меньшие потери мощности по сравнению с биполярными транзисторами. МОП-транзистор работает за счет подачи напряжения на клемму затвора, которая контролирует протекание тока между стоком и источником. В отличие от BJT, для которых требуется постоянный базовый ток, МОП-транзисторы управляются напряжением и практически не потребляют ток на затворе, что делает их пригодными для систем с питанием от батарей и микроконтроллеров.
МОП-транзисторы предпочтительны для коммутационных приложений, поскольку они поддерживают более высокую скорость переключения, более высокую обработку тока и очень низкое сопротивление RDS(on) во включенном состоянии, что сводит к минимуму нагрев и потери энергии. Они обычно используются в драйверах двигателей, светодиодных лентах, реле, преобразователях энергии и системах автоматизации. МОП-транзисторы логического уровня специально разработаны для полного включения при низких напряжениях затвора, 5 В или 3,3 В, что делает их идеальными для прямого взаимодействия с микроконтроллерами, такими как Arduino, ESP32 и Raspberry Pi, без необходимости использования схемы драйвера затвора.
К наиболее часто используемым МОП-транзисторам логического уровня относятся:
• IRLZ44N – подходит для коммутации мощных нагрузок, таких как двигатели постоянного тока, реле и светодиодные ленты.
• AO3400 – компактный SMD MOSFET, подходящий для маломощных цифровых коммутационных приложений.
• IRLZ34N – используется для средних и высоких токовых нагрузок в робототехнике и автоматике.
Переключение цепи низкого и высокого напряжения
Коммутация цепи низкого напряжения
При коммутации в цепочке низкого напряжения транзистор размещается между нагрузкой и землей. Когда транзистор включен, он завершает путь к земле и позволяет току протекать через нагрузку. Этот метод прост и удобен в использовании, именно поэтому он распространен в цифровых схемах и схемах на основе микроконтроллеров. Коммутация цепи низкого напряжения осуществляется с помощью NPN-транзисторов или N-канальных МОП-транзисторов, поскольку они просты в управлении с помощью управляющего сигнала, привязанного к земле. Этот метод используется для таких задач, как переключение светодиодов, реле и небольших двигателей.
Коммутация на стороне высокого напряжения
При коммутации на стороне высокого напряжения транзистор размещается между источником питания и нагрузкой. Когда транзистор включается, он подключает нагрузку к источнику положительного напряжения. Этот метод используется, когда нагрузка должна оставаться подключенной к земле в целях безопасности или по причинам опорного сигнала. Коммутация в цепи высокого напряжения осуществляется с помощью транзисторов PNP или P-канальных МОП-транзисторов. Тем не менее, его немного сложнее контролировать, потому что для его включения база или затвор должны быть подключены к более низкому напряжению, чем источник питания. Коммутация на стороне высокого напряжения обычно используется в автомобильных цепях, системах с питанием от аккумуляторов и приложениях для управления питанием.
Защита от индуктивной коммутации нагрузки
Когда транзистор используется для управления индуктивными нагрузками, такими как двигатели, реле, соленоиды или катушки, он нуждается в защите от скачков напряжения. Эти нагрузки накапливают энергию в магнитном поле, пока через них протекает ток. В тот момент, когда транзистор выключается, магнитное поле коллапсирует и высвобождает эту энергию в виде внезапного скачка высокого напряжения. Без защиты этот шип может повредить транзистор и повлиять на всю цепь.
Чтобы предотвратить это, компоненты защиты добавляются поперек нагрузки. Наиболее распространенным из них является обратный диод, такой как 1N4007, соединенный в обратном направлении поперек катушки. Этот диод обеспечивает безопасный путь протекания тока при выключении транзистора, останавливая скачок напряжения. В цепях, где необходимо контролировать электрический шум, для уменьшения резких импульсов используется RC-демпфер (последовательный резистор и конденсатор). Для цепей, которые работают с более высокими напряжениями, используется диод TVS (подавление переходного напряжения) для ограничения опасных скачков напряжения и защиты электронных компонентов.
Интерфейс микроконтроллера с коммутацией транзисторов
Микроконтроллеры, такие как Arduino, ESP32 и STM32, могут обеспечивать только небольшой выходной ток от контактов GPIO. Этот ток ограничен примерно 20–40 мА, чего недостаточно для питания таких устройств, как двигатели, реле, соленоиды или мощные светодиоды. Для управления этими более высокими токовыми нагрузками между микроконтроллером и нагрузкой используется транзистор. Транзистор работает как электронный переключатель, который позволяет малому сигналу от микроконтроллера управлять большим током от внешнего источника питания.
При выборе транзистора убедитесь, что он может полностью включиться при выходном напряжении микроконтроллера. МОП-транзисторы логического уровня являются хорошим выбором для больших нагрузок, поскольку они имеют низкое сопротивление включению и остаются холодными во время работы. BJT, такие как 2N2222, подходят для небольших грузов.
| Микроконтроллер | Выходное напряжение | Рекомендуемый транзистор |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5 В | 2N2222 (BJT) или IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ЭСП32 | 3,3 В | AO3400 (N-MOSFET) |
| СТМ32 | 3,3 В | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Заключение
Транзисторы — это надежные электронные переключатели, используемые для управления светодиодами, реле, двигателями и силовыми цепями. Благодаря использованию правильной базы или резистора затвора, добавлению защиты от обратного хода для индуктивных нагрузок и выбору правильного метода коммутации, цепи становятся безопасными и эффективными. Понимание коммутации транзисторов помогает проектировать стабильные электронные системы с надлежащим контролем и защитой.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Почему для коммутации выбирают MOSFET вместо BJT?
МОП-транзистор коммутирует быстрее, имеет меньшие потери мощности и не требует постоянного тока затвора.
Что вызывает перегрев транзистора в коммутационных цепях?
Тепло возникает из-за потери мощности во время переключения, рассчитанной как P = V × I, если транзистор не полностью включен.
Что такое RDS(on) в MOSFET?
Это включенное сопротивление между стоком и источником. Более низкий RDS(on) означает меньший нагрев и лучшую эффективность.
Может ли транзистор переключать нагрузки переменного тока?
Не напрямую. Один транзистор работает только на постоянном токе. Для нагрузок переменного тока используются SCR, симисторы или реле.
Почему ворота или основание не должны оставаться плавающими?
Плавающие ворота или основание могут улавливать шум и вызывать случайное переключение, что приводит к нестабильной работе.
Как можно защитить ворота MOSFET от высокого напряжения?
Используйте стабилитроин между затвором и источником для фиксации дополнительного напряжения и предотвращения повреждения затвора.