BJT schakelen: hoe transistoren efficiënt hoge-stroom lasten controleren

Bipolaire Knooppunttransistoren (BJTs) zijn veelzijdige componenten die kunnen functioneren als versterkers, filters, gelijkrichters, oscillatoren, en, belangrijk, als schakelaars. Wanneer in het lineaire gebied gebiaiseerd, gedraagt een BJT zich als een versterker; wanneer in verzadiging of afsnijden gebiaiseerd, fungeert het als een vermogensschakelaar, wat stroomtoe laat of blokkeert in andere delen van de schakeling.

De collectorstroom van een BJT wordt geregeerd door de basisstroom, wat het in staat stelt als een stroom-gecontroleerde schakelaar te dienen. Een bescheiden stroom geïnjiceerd in de basis kan een veel grotere collectorstroom controleren, wat de transistor een ideale oplossing maakt voor hoge-stroom toepassingen.

Een BJT gebruiken als schakelaar: een praktisch voorbeeld

Overweeg een eenvoudige lamp die we aan en uit willen schakelen. De klassieke aanpak gebruikt een mechanische schakelaar, zoals getoond in figuur (a). Door de schakelaar te vervangen door een transistor, kunnen we illustreren hoe een BJT de lampstroom controleert. De collector en emitter moeten de schakelaarcontacten vervangen, en de lampstroom moet in tegenovergestelde richting van de emitterpijl vloeien om correcte knooppuntbiasing te behouden, zoals afgebeeld in figuur (b).

(a) Mechanische schakelaar; (b) NPN transistor schakelaar; (c) PNP transistor schakelaar.

Een PNP transistor kan deze taak even goed uitvoeren, getoond in figuur (c). De keuze tussen NPN en PNP is willekeurig—wat telt is de correcte stroomrichting om knooppuntbiasing te behouden (elektronenstroom tegenovergesteld aan het transistorsymboolpijl).

In de bovenstaande diagrammen is de basis van de transistor zwevend, dus geen basisstroom vloeit en blijft het apparaat uit. Een praktische oplossing is een kleine schakelaar tussen de basis en de collector in te voegen, zoals hieronder geïllustreerd.

Transistor toestanden: (a) Afsnijden—lamp uit; (b) Verzadigd—lamp aan.

Afsnijden vs. Verzadiging

Wanneer de schakelaar open is (figuur a), is de basis zwevend en vloeit geen stroom; de transistor is in afsnijden modus, volledig niet-geleidend. Wanneer de schakelaar gesloten is (figuur b), vloeit basisstroom van basis naar emitter, wat een grote collector-naar-emitter stroom mogelijk maakt die de lamp laat branden. In deze toestand is de transistor in verzadiging modus, volledig geleidend.

Op het eerste gezicht kan het vervangen van een mechanische schakelaar door een transistor onnodig lijken. Echter, de transistor biedt significante voordelen in bepaalde scenario's.

Waarom een transistor gebruiken voor stroomcontrole?

Twee sleutelvoordelen:

• Laag-stroom controle—De schakelaarcontacten hoeven alleen de kleine basisstroom aan te hanteren die nodig is om de transistor aan te zetten, wat een kleine schakelaar in staat stelt een hoge-stroom last te controleren.
• Afstand of alternatieve besturingssignalen—De basis van de transistor kan aangedreven worden door praktisch elke DC-bron, wat controle via zonnecellen, thermokoppelen, microfoons of andere sensoren mogelijk maakt.

Bijvoorbeeld, een paar zonnecellen kan 1 V leveren om de 0,7 V basis-emitter val van de transistor te overwinnen, wat basisstroom initieert en de lamp aanzet. Evenzo kunnen meerdere thermokoppelen in serie de benodigde spanning leveren, en een versterkt microfoonsignaal—gelijkgericht naar DC—kan ook de basis biassen.

Zonnecellen dienen als lichtsensor om de transistor te triggeren.

Thermokoppelen in serie genereren >0,7 V om de basis te biassen.

Gelijkgerichte microfoonuitgang biast de basis voor lichtcontrole.

In elk geval fungeert de transistor als een echte versterker: een klein DC-besturingssignaal regelt een grotere voeding die de lamp aandrijft. Het vermogen van de lamp komt van de hoofdbatterij; de besturingssignalen regeren slechts de werking.

BJT als schakelaar – Snelle herhaling

• Transistoren kunnen DC-vermogen aan een last schakelen; de geregelde stroom vloeit tussen emitter en collector, terwijl de besturende basisstroom vloeit tussen emitter en basis.
• Nul basisstroom zet de transistor in afsnijden—niet-geleidend.
• Maximale basisstroom drijft de transistor in verzadiging—volledig geleidend.

Gerelateerd werkblad

• Bipolaire Knooppunttransistoren als Schakelaars Werkblad