Comment utiliser le transistor comme interrupteur

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Le dispositif principal dans le domaine électrique et électronique est la vanne régulée qui permet à un signal faible de réguler le plus de débit similaire à la buse qui régule le débit d'eau des pompes, des tubes et autres. À une époque, cette vanne régulée mise en œuvre dans le domaine électrique était des tubes à vide. La mise en œuvre et l'utilisation des tubes à vide étaient bonnes, mais la complication était grande et la consommation d'énergie électrique énorme qui était fournie sous forme de chaleur, ce qui tronquait la durée de vie du tube. En compensation de ce problème, le transistor était le dispositif qui offrait une bonne solution qui répondait aux exigences de l'ensemble de l'industrie électrique et électronique. Cet appareil a été inventé par «William Shockley» en 1947. Pour en discuter davantage, plongeons-nous dans le sujet détaillé de savoir ce qu'est un transistor , mise en œuvre transistor comme interrupteur , et de nombreuses caractéristiques.

Qu'est-ce que le transistor?

Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois bornes qui peuvent être utilisés pour des applications de commutation, l'amplification de signaux faibles et des quantités de milliers et de millions de transistors sont interconnectés et intégrés dans un minuscule circuit intégré / puce, qui fabrique des mémoires informatiques. Un interrupteur à transistor, qui est utilisé pour ouvrir ou fermer un circuit, ce qui signifie que le transistor est couramment utilisé comme interrupteur dans les appareils électroniques uniquement pour les applications basse tension en raison de sa faible tension. Puissance consommation. Le transistor fonctionne comme un interrupteur lorsqu'il est dans les régions de coupure et de saturation.




Types de transistors BJT

Fondamentalement, un transistor se compose de deux jonctions PN, ces jonctions sont formées en sandwich de type N ou de type P semi-conducteur matériau entre une paire du type opposé de matériaux semi-conducteurs.

Jonction bipolaire les transistors sont classés en types



  • NPN
  • PNP

Le transistor a trois bornes, à savoir Base, Émetteur et Collector. L'émetteur est un terminal fortement dopé et il émet les électrons dans la région de base. La borne de base est légèrement dopée et fait passer les électrons injectés par l'émetteur sur le collecteur. La borne de collecteur est dopée de manière intermédiaire et collecte les électrons de la base.

Un transistor de type NPN est la composition de deux matériaux semi-conducteurs dopés de type N entre une couche semi-conductrice dopée de type P comme illustré ci-dessus. De même, les transistors de type A PNP sont la composition de deux matériaux semi-conducteurs dopés de type P entre une couche semi-conductrice dopée de type N comme illustré ci-dessus. Le fonctionnement des transistors NPN et PNP est le même mais diffère en termes de polarisation et de polarité d'alimentation.


Transistor comme interrupteur

Si le circuit utilise le Transistor BJT en tant que commutateur h, puis la polarisation du transistor, soit NPN soit PNP, est agencée pour faire fonctionner le transistor des deux côtés des courbes de caractéristiques I-V représentées ci-dessous. Un transistor peut fonctionner dans trois modes, région active, région de saturation et région de coupure. Dans la région active, le transistor fonctionne comme un amplificateur. En tant que commutateur à transistor, il fonctionne dans deux régions et celles-ci sont Région de saturation (entièrement allumé) et le Région limite (complètement OFF). Le transistor comme schéma de commutation est

Transistor comme interrupteur

Transistor comme interrupteur

Les deux types de transistors NPN et PNP peuvent être utilisés comme interrupteurs. Peu d'applications utilisent un transistor de puissance comme outil de commutation. Pendant cette condition, il pourrait ne pas être nécessaire d'utiliser un autre transistor de signal pour piloter ce transistor.

Modes de fonctionnement des transistors

Nous pouvons observer à partir des caractéristiques ci-dessus, la zone ombrée rose en bas des courbes représente la région de coupure et la zone bleue à gauche représente la région de saturation du transistor. ces régions de transistors sont définies comme

Région limite

Les conditions de fonctionnement du transistor sont un courant de base d'entrée nul (IB = 0), un courant de collecteur de sortie nul (Ic = 0) et une tension de collecteur maximale (VCE) qui se traduit par une couche d'appauvrissement importante et aucun courant ne circulant dans l'appareil.

Par conséquent, le transistor est commuté sur «entièrement désactivé». Ainsi, nous pouvons définir la région de coupure lors de l'utilisation d'un transistor bipolaire comme interrupteur comme étant, déranger les jonctions des transistors NPN sont polarisées en inverse, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Mode de coupure

Mode de coupure

Ensuite, nous pouvons définir la «région de coupure» ou le «mode OFF» lors de l'utilisation d'un transistor bipolaire comme interrupteur comme étant, les deux jonctions polarisées en inverse, IC = 0 et VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Caractéristiques de la région limite

Les caractéristiques de la région limite sont:

  • La base et les bornes d’entrée sont mises à la terre, ce qui signifie «0» v
  • Le niveau de tension à la jonction base-émetteur est inférieur à 0,7 v
  • La jonction base-émetteur est en état polarisé en inverse
  • Ici, le transistor fonctionne comme un interrupteur OPEN
  • Lorsque le transistor est complètement OFF, il se déplace dans la région de coupure
  • La jonction base-collecteur est en état polarisé en inverse
  • Il n'y aura pas de flux de courant dans la borne du collecteur ce qui signifie Ic = 0
  • La valeur de tension à la jonction émetteur-collecteur et aux bornes de sortie est «1»

Région de saturation

Dans cette région, le transistor sera polarisé de manière à ce que la quantité maximale de courant de base (IB) soit appliquée, ce qui entraîne un courant de collecteur maximal (IC = VCC / RL), puis la tension minimale de collecteur-émetteur (VCE ~ 0) laissez tomber. Dans cette condition, la couche d'appauvrissement devient aussi petite que possible et maximum de courant circulant à travers le transistor. Par conséquent, le transistor est commuté «entièrement sur ON».

Mode de saturation

Mode de saturation

La définition de «région de saturation» ou «mode ON» lors de l'utilisation d'un transistor bipolaire NPN comme interrupteur comme étant, les deux jonctions sont polarisées en direct, IC = Maximum et VB> 0,7 v. Pour un transistor PNP, le potentiel de l'émetteur doit être + ve par rapport à la base. C'est le fonctionnement du transistor comme interrupteur .

Caractéristiques de la région de saturation

Le caractéristiques de saturation sommes:

  • Les bornes de base et d'entrée sont connectées à Vcc = 5v
  • Le niveau de tension à la jonction base-émetteur est supérieur à 0,7 v
  • La jonction base-émetteur est en état polarisé en direct
  • Ici, le transistor fonctionne comme un interrupteur FERMÉ
  • Lorsque le transistor est complètement OFF, il se déplace dans la région de saturation
  • La jonction base-collecteur est en condition polarisée en direct
  • Le flux de courant dans la borne du collecteur est Ic = (Vcc / RL)
  • La valeur de tension à la jonction émetteur-collecteur et aux bornes de sortie est «0»
  • Lorsque la tension à la jonction collecteur-émetteur est «0», cela signifie une condition de saturation idéale

De plus, le fonctionnement du transistor comme interrupteur peut être expliqué en détail comme ci-dessous:

Transistor comme interrupteur - NPN

En fonction de la valeur de tension appliquée au bord de base du transistor, une fonctionnalité de commutation a lieu. Lorsqu'il y a une bonne quantité de tension qui est d'environ 0,7 V entre l'émetteur et les bords de base, le flux de tension entre le collecteur et le bord de l'émetteur est nul. Ainsi, le transistor dans cette condition fonctionne comme un interrupteur et le courant qui traverse le collecteur est considéré comme le courant du transistor.

De la même manière, lorsqu'il n'y a pas de tension appliquée à la borne d'entrée, alors le transistor fonctionne dans la région de coupure et fonctionne comme un circuit ouvert. Dans cette méthode de commutation, la charge connectée est en contact avec le point de commutation où il sert de point de référence. Ainsi, lorsque le transistor passe à l'état «ON», il y aura un flux de courant de la borne source vers la terre via la charge.

Transistor NPN comme interrupteur

Transistor NPN comme interrupteur

Pour être clair sur cette méthode de commutation, considérons un exemple.

Supposons qu'un transistor a une valeur de résistance de base de 50 kOhm, la résistance au bord du collecteur est de 0,7 kOhm et la tension appliquée est de 5 V et considère la valeur bêta comme 150. Au bord de base, un signal qui varie entre 0 et 5 V est appliqué . Cela correspond à l'observation de la sortie du collecteur en modifiant les valeurs de tension d'entrée qui sont 0 et 5V. Considérez le diagramme suivant.

Lorsque VCE= 0, alors jeC= VDC/ RC

IC = 5 / 0,7

Ainsi, le courant à la borne du collecteur est de 7,1 mA

Comme la valeur bêta est de 150, alors Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 µA

Donc, le courant de base est de 47,3 µA

Avec les valeurs ci-dessus, la valeur la plus élevée du courant à la borne du collecteur est de 7,1 mA dans la condition collecteur à la tension de l'émetteur est de zéro et la valeur du courant de base est de 47,3 µA. Ainsi, il a été prouvé que lorsque la valeur du courant au bord de base est augmentée au-dessus de 47,3 µA, alors le transistor NPN se déplace dans la région de saturation.

Supposons qu'un transistor a une tension d'entrée de 0V. Cela signifie que le courant de base est «0» et lorsque la jonction de l’émetteur est mise à la terre, l’émetteur et la jonction de la base ne seront pas en condition de polarisation de transmission. Ainsi, le transistor est en mode OFF et la valeur de tension au bord du collecteur est de 5V.

Vc = Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5 V

Supposons qu'un transistor a une tension d'entrée de 5V. Ici, la valeur actuelle au bord de base peut être connue en utilisant Principe de tension de Kirchhoff .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Lorsqu'un transistor en silicium est considéré, il a Vbe = 0.7V

Donc, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8 µA

Ainsi, il a été prouvé que lorsque la valeur du courant au bord de base est augmentée au-dessus de 56,8 µA, le transistor NPN se déplace dans une région de saturation à une condition d'entrée de 5 V.

Transistor comme interrupteur - PNP

La fonctionnalité de commutation pour les transistors PNP et NPN est similaire, mais la variation est que dans le transistor PNP, le flux de courant provient de la borne de base. Cette configuration de commutation est utilisée pour les connexions de masse négatives. Ici, le bord de base a une connexion de polarisation négative en correspondance avec le bord d'émetteur. Lorsque la tension à la borne de base est supérieure à -ve, il y aura un flux de courant de base. Pour être clair, que lorsqu'il existe des vannes de tension très minimale ou -ve, cela rend le transistor court-circuité sinon ouvert ou bien haute impédance .

Dans ce type de connexion, la charge est en relation avec la sortie de commutation avec un point de référence. Lorsque le transistor PNP est à l'état ON, il y aura un flux de courant de la source à la charge, puis à la masse via un transistor.

Transistor PNP comme interrupteur

Transistor PNP comme interrupteur

Comme pour l'opération de commutation de transistor NPN, l'entrée du transistor PNP est également au bord de base, tandis que la borne d'émetteur est en connexion avec une tension fixe et la borne de collecteur est connectée à la masse via une charge. L'image ci-dessous explique le circuit.

Ici, la borne de base est toujours dans une condition de polarisation négative en correspondance avec le bord de l'émetteur et la base qu'elle est connectée du côté négatif et l'émetteur du côté positif de la tension d'entrée. Cela signifie que la tension entre la base et l'émetteur est négative et la tension entre l'émetteur et le collecteur est positive. Ainsi, il y aura conductivité du transistor lorsque la tension de l'émetteur a un niveau plus positif que celui des bornes de base et de collecteur. Ainsi, la tension à la base doit être plus négative que celle des autres bornes.

Pour connaître la valeur des courants de collecteur et de base, nous avons besoin des expressions ci-dessous.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Une

Où Ub = Ic / β

Pour être clair sur cette méthode de commutation, considérons un exemple.

Supposons que le circuit de charge a besoin de 120 mA et que la valeur bêta du transistor est de 120. Ensuite, la valeur de courant nécessaire pour que le transistor soit en mode saturation est

Ib = Ic / β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Ainsi, quand il y a un courant de base de 1 mAmp, le transistor est complètement en état ON. Alors que dans des scénarios pratiques, environ 30 à 40% de courant supplémentaire est nécessaire pour une saturation adéquate du transistor. Cela signifie que le courant de base nécessaire à l'appareil est de 1,3 mAmps.

Opération de commutation du transistor Darlington

Dans quelques cas, le gain de courant du courant continu dans le dispositif BJT est très minime pour la commutation directe de la tension ou du courant de charge. Pour cette raison, des transistors de commutation sont utilisés. Dans cette condition, un petit dispositif à transistor est inclus pour ON et OFF d'un interrupteur et une valeur de courant augmentée pour réguler le transistor de sortie.

Afin d'améliorer le gain du signal, deux transistors sont connectés en «configuration de composition de gain complémentaire». Dans cette configuration, le facteur d'amplification est le résultat du produit de deux transistors.

Transistor Darlington

Transistor Darlington

Transistors Darlington sont généralement inclus avec deux types de transistors bipolaires PNP et NPN où ceux-ci sont connectés de la manière que la valeur de gain du transistor initial est multipliée par la valeur de gain du deuxième dispositif à transistor.

Cela produit le résultat où le dispositif fonctionne comme un transistor unique ayant un gain de courant maximal même pour une valeur de courant de base minimale. L'ensemble du gain de courant du dispositif de commutation Darlington est le produit des valeurs de gain de courant des transistors PNP et NPN et cela est représenté par:

β = β1 × β2

Avec les points ci-dessus, les transistors Darlington ayant des valeurs maximales de β et de courant de collecteur sont potentiellement liés à la commutation d'un seul transistor.

Par exemple, lorsque le transistor d'entrée a une valeur de gain de courant de 100 et que le second a une valeur de gain de 50, alors le gain de courant total est

β = 100 × 50 = 5000

Ainsi, lorsque le courant de charge est de 200 mA, la valeur du courant dans le transistor Darlington à la borne de base est de 200 mA / 5000 = 40 µAmps, ce qui représente une forte diminution par rapport au dernier 1 mAmp pour un seul appareil.

Configurations Darlington

Il existe principalement deux types de configuration dans le transistor Darlington et ceux-ci sont

La configuration de commutation du transistor Darlington démontre que les bornes de collecteur des deux dispositifs sont connectées à la borne d'émetteur du transistor initial qui a une connexion avec le bord de base du deuxième dispositif à transistor. Ainsi, la valeur de courant à la borne d'émetteur du premier transistor se formera au fur et à mesure que le courant d'entrée du deuxième transistor le rendra à l'état On.

Le transistor d'entrée qui est le premier reçoit son signal d'entrée à la borne de base. Le transistor d'entrée est amplifié d'une manière générale et cela est utilisé pour piloter les transistors de sortie suivants. Le deuxième appareil améliore le signal et cela se traduit par une valeur maximale de gain de courant. L'une des caractéristiques cruciales du transistor Darlington est son gain de courant maximal lorsqu'il est lié au dispositif BJT unique.

En plus de la capacité des caractéristiques de commutation de tension et de courant maximales, l'autre avantage supplémentaire est ses vitesses de commutation maximales. Cette opération de commutation permet à l'appareil d'être spécifiquement utilisé pour les circuits d'inverseur, le moteur à courant continu, les circuits d'éclairage et la régulation du moteur pas à pas.

La variation à prendre en compte lors de l'utilisation de transistors Darlington par rapport à celle des types BJT simples conventionnels lors de la mise en œuvre du transistor en tant que commutateur est que la tension d'entrée à la jonction base et émetteur doit être supérieure, ce qui est proche de 1,4v pour un dispositif de type silicium, comme en raison d'une connexion en série des deux jonctions PN.

Certaines des applications pratiques courantes du transistor en tant que commutateur

Dans un transistor, à moins qu'un courant ne circule dans le circuit de base, aucun courant ne peut circuler dans le circuit collecteur. Cette propriété permettra à un transistor d'être utilisé comme interrupteur. Le transistor peut être activé ou désactivé en changeant la base. Il existe quelques applications des circuits de commutation actionnés par des transistors. Ici, j'ai considéré le transistor NPN pour expliquer quelques applications qui utilisent un commutateur à transistor.

Interrupteur à lumière

Le circuit est conçu en utilisant un transistor comme interrupteur, pour allumer l'ampoule dans un environnement lumineux et pour l'éteindre dans l'obscurité et un Résistance dépendant de la lumière (LDR) dans le diviseur de potentiel. Quand l'environnement sombre La résistance de LDR devient élevé. Ensuite, le transistor est désactivé. Lorsque le LDR est exposé à la lumière vive, sa résistance tombe à moins de valeur, ce qui entraîne une tension d'alimentation plus élevée et une augmentation du courant de base du transistor. Maintenant, le transistor est allumé, le courant du collecteur circule et l'ampoule s'allume.

Interrupteur à commande thermique

Un composant important dans le circuit d'un interrupteur à commande thermique est la thermistance. La thermistance est un type de résistance qui répond en fonction de la température ambiante. Sa résistance augmente lorsque la température est basse et vice versa. Lorsque la chaleur est appliquée à la thermistance, sa résistance chute et le courant de base augmente, suivi d'une plus grande augmentation du courant du collecteur et la sirène sonnera. Ce circuit particulier convient comme système d'alarme incendie .

Interrupteur à commande thermique

Interrupteur à commande thermique

Commande de moteur CC (pilote) dans le cas de hautes tensions

Considérez qu'aucune tension n'est appliquée au transistor, puis le transistor devient OFF et aucun courant ne le traversera. D'où le relais reste à l'état OFF. Alimentation du moteur à courant continu est alimenté par la borne normalement fermée (NC) du relais, de sorte que le moteur tourne lorsque le relais est à l'état OFF. L'application d'une haute tension à la base du transistor BC548 provoque la mise sous tension du transistor et la mise sous tension de la bobine de relais.

Exemple pratique

Ici, nous allons connaître la valeur du courant de base nécessaire pour mettre un transistor complètement en état ON où la charge a besoin d'un courant de 200mA lorsque la valeur d'entrée est augmentée à 5v. Connaissez également la valeur de Rb.

La valeur du courant de base du transistor est

Ib = Ic / β considère β = 200

Ib = 200 mA / 200 = 1 mA

La valeur de résistance de base du transistor est Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10-3

Rb = 4,3 kΩ

Les commutateurs à transistors sont largement utilisés dans de multiples applications telles que l'interfaçage d'équipements de courant énorme ou de haute valeur de tension tels que des moteurs, des relais ou des lumières à la valeur minimale de tension, des circuits intégrés numériques ou utilisés dans des portes logiques telles que des portes ET ou OU. Aussi, lorsque la sortie délivrée par la porte logique est de + 5v alors que l'appareil qui doit être régulé peut avoir besoin de 12v ou même 24v de la tension d'alimentation.

Ou la charge comme le moteur à courant continu peut nécessiter une surveillance de sa vitesse par des impulsions continues. Les interrupteurs à transistors permettent à cette opération d'être plus rapide et plus simple que celle des interrupteurs mécaniques traditionnels.

Pourquoi utiliser un transistor au lieu d'un interrupteur?

Lors de la mise en œuvre d'un transistor à la place d'un interrupteur, même une quantité minimale de courant de base régule un courant de charge plus élevé dans la borne du collecteur. En utilisant des transistors à la place du commutateur, ces appareils sont pris en charge avec des relais et des solénoïdes. Alors que dans le cas où des niveaux plus élevés de courants ou de tensions doivent être régulés, des transistors Darlington sont utilisés.

Dans l'ensemble, en résumé, peu des conditions qui sont appliquées lors du fonctionnement du transistor comme interrupteur sont

  • Tout en utilisant BJT comme interrupteur, il doit alors être actionné soit dans des conditions ON incomplètes, soit dans des conditions ON complètes.
  • Lors de l'utilisation d'un transistor comme interrupteur, une valeur minimale du courant de base régule l'augmentation du courant de charge du collecteur.
  • Lors de la mise en œuvre de transistors pour commuter en tant que relais et solénoïdes, il est préférable d'utiliser des diodes de volant.
  • Pour réguler de plus grandes valeurs de tension ou de courant, les transistors Darlington fonctionnent au mieux.

Et, cet article a fourni des informations complètes et claires sur les transistors, les régions de fonctionnement, fonctionnant comme un commutateur, les caractéristiques, les applications pratiques. L'autre sujet crucial et connexe à connaître est ce qui commutateur de transistor logique numérique et son fonctionnement, schéma de circuit?