Transistori lülitus releede, mootorite ja LED-ide jaoks

Transistor võib töötada elektroonilise lülitina vooluahela voolu juhtimiseks. See kasutab väikest signaali suuremate koormuste sisse- või väljalülitamiseks, muutes selle kasulikuks paljudes elektroonilistes süsteemides. See artikkel selgitab üksikasjalikult, kuidas BJT- ja MOSFET-transistoreid kasutatakse lülitusel, sealhulgas madala ja kõrge külje juhtimisel, alus- ja väravatakistitel, induktiivse koormuse kaitsel ja mikrokontrolleri liidestel.

Transistori ümberlülitamise ülevaade

Transistor on pooljuhtseade, mis võib toimida elektroonilise lülitina, et juhtida voolu vooluringis. Erinevalt mehaanilistest lülititest, mis avavad või sulgevad tee füüsiliselt, teostab transistor ümberlülitamist elektrooniliselt, kasutades selle alusele (BJT) või väravale (FET) rakendatavat juhtsignaali. Lülitusrakendustes töötab transistor ainult kahes põhipiirkonnas: väljalülituspiirkonnas (OFF olek), kus voolu ei toimu ja transistor käitub nagu avatud lüliti, ja küllastuspiirkonnas (ON olek), kus maksimaalne vool voolab minimaalse pingelangusega üle selle, toimides nagu suletud lüliti.

Transistori lülitusolekud

Transistori rakendused lülitusahelates

Relee ja solenoidi juhtimine

Transistorid juhivad releed ja solenoide, pakkudes vajalikku mähisvoolu, mida mikrokontrollerid ei saa otse varustada. Flyback-dioodi kasutatakse kaitseks pingehüpete eest.

LED ja lamp lülitamine

Transistorid lülitavad LED-e ja väikeseid lampe, kasutades madalaid juhtsignaale, kaitstes samal ajal juhtimisahelat liigvoolu eest. Neid kasutatakse indikaatorites, ekraanides ja valgustuse juhtimises.

Mootori draiverid

Transistorid juhivad alalisvoolumootoreid, toimides suure voolu lülititena. Power BJT-sid või MOSFET-e kasutatakse robootika, ventilaatorite, pumpade ja automaatikasüsteemide usaldusväärseks juhtimiseks.

Toitehalduse ahelad

Transistoreid kasutatakse elektroonilises toitelülitis, kaitses ja reguleerimises. Need ilmuvad akulaadijates, alalisvoolumuundurites ja automaatsetes võimsuse juhtimisahelates.

Mikrokontrolleri liidesed

Transistoride liidesed suure võimsusega koormustega mikrokontrollerid. Need võimendavad nõrku loogikasignaale ja võimaldavad juhtida releed, mootoreid, helisignaale ja suure vooluga LED-e.

NPN-transistor lülitina

NPN-transistori saab kasutada elektroonilise lülitina selliste koormuste juhtimiseks nagu LED-id, releed ja väikesed mootorid, kasutades väikese võimsusega signaali sellistest seadmetest nagu andurid või mikrokontrollerid. Kui transistor töötab lülitina, töötab see kahes piirkonnas: väljalülitus (OFF olek) ja küllastus (ON olek). Väljalülituspiirkonnas baasvoolu ei voola ja transistor blokeerib voolu kollektori poolel, nii et koormus jääb välja. Küllastuspiirkonnas voolab piisavalt baasvoolu, et transistor täielikult sisse lülitada, võimaldades voolul liikuda kollektorist emitterisse ja toita koormust.

NPN-transistori kasutamiseks lülitina on alusesse mineva voolu piiramiseks vaja baastakistit (RB). Baasvoolu arvutamiseks kasutatakse:

kus IC on koormust läbiv vool ja βforced on ohutuks lülitamiseks kasutatav vähendatud võimenduse väärtus β/10. Seejärel arvutatakse baastakisti järgmiselt:

kus VIN on juhtpinge ja VBE on baasemitteri pinge (umbes 0,7 V ränitransistoride puhul). Need valemid aitavad tagada, et transistor saab piisavalt baasvoolu, et lülituda korralikult ilma kahjustamata.

PNP-transistor lülitina

PNP-transistori saab kasutada ka lülitina, kuid seda rakendatakse kõrgel küljel lülituses, kus koormus on ühendatud maandusega ja transistor juhib ühendust positiivse toitepingega. Selles konfiguratsioonis on PNP-transistori emitter ühendatud +VCC-ga, kollektor on ühendatud koormusega ja koormus ühendub maandusega. Transistor lülitub sisse, kui alus tõmmatakse madalale (alla emitteri pinge), ja lülitub välja, kui alus tõmmatakse kõrgele (+VCC lähedale). See muudab PNP-transistorid sobivaks lülitusahelateks, kus koormus tuleb ühendada otse positiivse rööpaga, näiteks autode juhtmestikus ja elektrijaotussüsteemides.

Alusesse voolava voolu piiramiseks on vaja alustakistit (RB). Baasvoolu arvutamiseks kasutatakse:

kus IC on kollektori vool ja βforced võetakse kümnendikuna transistori tüüpilisest võimendusest usaldusväärseks ümberlülitamiseks. Seejärel arvutatakse baastakisti väärtus, kasutades järgmist:

PNP-transistorides on VBE umbes -0,7 V, kui see on ettepoole kallutatud. Juhtsignaal tuleb tõmmata piisavalt madalale, et kallutada baas-emitteri ristmik ettepoole ja lülitada transistor sisse.

Baastakisti BJT lülitamisel

BJT-transistori kasutamisel lülitina on baasklemmi mineva voolu juhtimiseks vaja baastakistit (RB). Takisti kaitseb transistori ja juhtallikat, näiteks mikrokontrolleri tihvti, liiga suure voolu eest. Ilma selle takistita võib baas-emitteri ristmik tõmmata liigset voolu ja kahjustada transistori. Alustakisti tagab ka transistori nõuetekohase lülitumise OFF ja ON olekute vahel.

Transistori täielikuks sisselülitamiseks (küllastusrežiim) peab olema piisavalt baasvoolu. Baasvool IB arvutatakse kollektorivoolu IC ja ohutu võimenduse väärtuse abil, mida nimetatakse sunnitud beetaversiooniks:

Transistori normaalvõimenduse (beeta) kasutamise asemel kasutatakse ohutuse tagamiseks madalamat väärtust, mida nimetatakse sunnitud beetaversiooniks:

Pärast baasvoolu arvutamist leitakse baastakisti väärtus Ohmi seaduse abil:

Siin on VIN juhtpinge ja VBE on baasemitteri pinge, umbes 0.7 V räni BJT-de puhul.

MOSFET-i ümberlülitamine loogikataseme juhtimisel

MOSFET-e kasutatakse kaasaegsetes vooluringides elektrooniliste lülititena, kuna need pakuvad BJT-dega võrreldes suuremat efektiivsust ja väiksemat võimsuskadu. MOSFET töötab, rakendades pinget oma väravaklemmile, mis kontrollib voolu äravoolu ja allika vahel. Erinevalt BJT-dest, mis nõuavad pidevat baasvoolu, on MOSFET-id pingepõhised ja ei võta väravas peaaegu üldse voolu, mistõttu sobivad need akutoitel ja mikrokontrolleritel põhinevate süsteemide jaoks.

MOSFET-e eelistatakse lülitusrakenduste jaoks, kuna need toetavad kiiremat lülituskiirust, suuremat voolukäsitlust ja väga madalat ON-takistust RDS(on), mis minimeerib kuumutamist ja energiakadu. Neid kasutatakse tavaliselt mootoridraiverites, LED-ribades, releedes, toitemuundurites ja automaatikasüsteemides. Loogikataseme MOSFET-id on spetsiaalselt loodud täielikult sisse lülituma madalal väravapingel, 5 V või 3.3 V, muutes need ideaalseks otseseks liidestamiseks mikrokontrolleritega, nagu Arduino, ESP32 ja Raspberry Pi, ilma et oleks vaja väravadraiveri ahelat.

Tavaliselt kasutatavad loogikataseme MOSFET-id on järgmised:

• IRLZ44N – sobib suure võimsusega koormuste, näiteks alalisvoolumootorite, releede ja LED-ribade lülitamiseks.

• AO3400 – kompaktne SMD MOSFET, mis sobib väikese energiatarbega digitaalsetele lülitusrakendustele.

• IRLZ34N – kasutatakse keskmise ja suure voolukoormuse jaoks robootikas ja automaatikas.

Madala ja kõrge külje lülitus

Madala külje lülitus

Madala külje lülitusel asetatakse transistor koormuse ja maanduse vahele. Kui transistor on sisse lülitatud, lõpetab see tee maapinnale ja laseb voolul läbi koormuse voolata. See meetod on lihtne ja hõlpsasti kasutatav, mistõttu on see levinud digitaalsetes ja mikrokontrolleripõhistes vooluringides. Madala külje lülitus toimub NPN-transistoride või N-kanali MOSFET-ide abil, kuna neid on lihtne juhtida maapinnale viidava juhtsignaaliga. Seda meetodit kasutatakse selliste ülesannete jaoks nagu LED-ide, releede ja väikeste mootorite lülitamine.

Kõrge külje lülitus

Kõrgel küljel lülitamisel asetatakse transistor toiteallika ja koormuse vahele. Kui transistor lülitub sisse, ühendab see koormuse positiivse pingeallikaga. Seda meetodit kasutatakse siis, kui koormus peab ohutuse või signaali viitamise põhjustel jääma maandusega ühendatuks. Kõrgpoolne lülitus toimub PNP-transistoride või P-kanali MOSFET-ide abil. Seda on aga veidi keerulisem juhtida, kuna alus või värav tuleb selle sisselülitamiseks juhtida toiteallikast madalamale pingele. Kõrgkülje lülitust kasutatakse tavaliselt autoahelates, akutoitel süsteemides ja võimsuse reguleerimise rakendustes.

Induktiivne koormuse ümberlülituse kaitse

Kui transistori kasutatakse induktiivsete koormuste, nagu mootorid, releed, solenoidid või mähised, juhtimiseks, vajab see kaitset pingehüpete eest. Need koormused koguvad magnetväljas energiat, samal ajal kui vool neid läbib. Hetkel, kui transistor välja lülitub, variseb magnetväli kokku ja vabastab selle energia äkilise kõrgepinge hüppena. Ilma kaitseta võib see teravik kahjustada transistori ja mõjutada kogu vooluringi.

Selle vältimiseks lisatakse kogu koormusele kaitsekomponendid. Kõige tavalisem on flyback-diood, näiteks 1N4007, mis on ühendatud tagurpidi üle mähise. See diood annab voolule ohutu voolutee, kui transistor lülitub välja, peatades pinge tõusu. Vooluringides, kus elektrimüra tuleb juhtida, kasutatakse teravate impulsside vähendamiseks RC-snubberit (takisti ja kondensaator järjestikult). Kõrgemate pingetega tegelevate vooluahelate puhul kasutatakse ohtlike piikide piiramiseks ja elektrooniliste osade kaitsmiseks TVS (Transient Voltage Suppression) dioodi.

Mikrokontrolleri liides transistori lülitusega

Mikrokontrollerid, nagu Arduino, ESP32 ja STM32, suudavad oma GPIO tihvtidest pakkuda ainult väikest väljundvoolu. See vool on piiratud umbes 20–40 mA-ga, millest ei piisa selliste seadmete toiteks nagu mootorid, releed, solenoidid või suure võimsusega LED-id. Nende suuremate voolukoormuste juhtimiseks kasutatakse mikrokontrolleri ja koormuse vahel transistorit. Transistor töötab elektroonilise lülitina, mis võimaldab mikrokontrolleri väikesel signaalil juhtida välisest toiteallikast suuremat voolu.

Transistori valimisel veenduge, et see saaks mikrokontrolleri väljundpingega täielikult sisse lülituda. Loogikataseme MOSFET-id on hea valik suuremate koormuste jaoks, kuna neil on madal ON-takistus ja need püsivad töötamise ajal jahedad. BJT-d, nagu 2N2222, sobivad väiksemate koormuste jaoks.

Järeldus 

Transistorid on usaldusväärsed elektroonilised lülitid, mida kasutatakse LED-ide, releede, mootorite ja toiteahelate juhtimiseks. Kasutades õiget alus- või väravatakistit, lisades induktiivsete koormuste tagasilennukaitse ja valides õige lülitusmeetodi, muutuvad ahelad ohutuks ja tõhusaks. Transistori ümberlülitamise mõistmine aitab kujundada stabiilseid elektroonilisi süsteeme, millel on nõuetekohane juhtimine ja kaitse.

Korduma kippuvad küsimused [KKK]

Miks valida vahetamiseks BJT asemel MOSFET?

MOSFET lülitub kiiremini, sellel on väiksem võimsuskadu ja see ei vaja pidevat väravavoolu.

Mis põhjustab transistori ülekuumenemist lülitusahelates?

Soojust põhjustab lülituse ajal tekkiv elektrikadu, mis arvutatakse kui P = V × I, kui transistor ei ole täielikult sisse lülitatud.

Mis on RDS (on) MOSFETis?

See on sissevoolutakistus äravoolu ja allika vahel. Madalam RDS (sees) tähendab madalamat kuumust ja paremat efektiivsust.

Kas transistor saab vahelduvvoolu koormusi vahetada?

Mitte otseselt. Üks transistor töötab ainult alalisvoolu jaoks. Vahelduvvoolu koormuste jaoks kasutatakse SCR-e, TRIAC-e või releed.

Miks ei tohiks väravat või alust hõljuma jätta?

Ujuv värav või alus võib müra vastu võtta ja põhjustada juhuslikku lülitust, mis põhjustab ebastabiilset tööd.

Kuidas saab MOSFET-väravat kõrgepinge eest kaitsta?

Kasutage värava ja allika vahel zeneri dioodi, et kinnitada lisapinge ja vältida värava kahjustusi.