Tranzistor môže fungovať ako elektronický spínač na riadenie prúdu v obvode. Používa malý signál na zapnutie alebo vypnutie väčších záťaží, vďaka čomu je užitočný v mnohých elektronických systémoch. Tento článok podrobne vysvetľuje, ako sa tranzistory BJT a MOSFET používajú pri prepínaní, vrátane ovládania na nízkej a vysokej strane, základných a hradlových odporov, indukčnej ochrany záťaže a rozhrania mikrokontrolérov.
Č. 9. Ochrana proti indukčnému spínaniu záťaže
Prehľad prepínania tranzistorov
Tranzistor je polovodičové zariadenie, ktoré môže fungovať ako elektronický spínač na riadenie toku prúdu v obvode. Na rozdiel od mechanických spínačov, ktoré fyzicky otvárajú alebo zatvárajú cestu, tranzistor vykonáva prepínanie elektronicky pomocou riadiaceho signálu aplikovaného na jeho základňu (BJT) alebo hradlo (FET). V spínacích aplikáciách tranzistor pracuje iba v dvoch hlavných oblastiach: v oblasti vypnutia (stav OFF), kde nedochádza k toku prúdu a tranzistor sa správa ako otvorený spínač, a v oblasti nasýtenia (stav ON), kde cez neho preteká maximálny prúd s minimálnym poklesom napätia a funguje ako uzavretý spínač.
Stavy spínania tranzistorov
| Región | Stav prepínača | Popis | Použitie pri prepínaní |
|---|---|---|---|
| Hraničná hodnota | VYPNUTÉ | Netečie žiadny prúd (otvorený obvod) | Použité |
| Aktívny | Lineárne | Čiastočné vedenie | Vyhnúť sa (zosilňovače) |
| Sýtosť | DŇA | Maximálne prietoky prúdu (uzavretá cesta) | Použité |
Tranzistorové aplikácie v spínacích obvodoch
Ovládanie relé a solenoidu
Tranzistory poháňajú relé a solenoidy poskytovaním požadovaného prúdu cievky, ktorý mikrokontroléry nemôžu dodávať priamo. Na ochranu pred napäťovými špičkami sa používa spätná dióda.
LED a lamp Prepínanie
Tranzistory spínajú LED diódy a malé žiarovky pomocou nízkych riadiacich signálov a zároveň chránia riadiaci obvod pred nadmerným prúdom. Používajú sa na indikátory, displeje a ovládanie osvetlenia.
Ovládače motorov
Tranzistory poháňajú jednosmerné motory tak, že fungujú ako vysokoprúdové spínače. Power BJT alebo MOSFET sa používajú na spoľahlivé riadenie v robotike, ventilátoroch, čerpadlách a automatizačných systémoch.
Obvody riadenia napájania
Tranzistory sa používajú pri elektronickom spínaní, ochrane a regulácii napájania. Objavujú sa v nabíjačkách batérií, jednosmerných meničoch a obvodoch automatického riadenia výkonu.
Rozhrania mikrokontroléra
Tranzistory prepájajú mikrokontroléry s vysokovýkonnými záťažami. Zosilňujú slabé logické signály a umožňujú ovládanie relé, motorov, bzučiakov a vysokoprúdových LED diód.
NPN tranzistor ako prepínač
Tranzistor NPN možno použiť ako elektronický spínač na ovládanie záťaží, ako sú LED diódy, relé a malé motory, pomocou signálu s nízkym výkonom zo zariadení, ako sú senzory alebo mikrokontroléry. Keď tranzistor pracuje ako spínač, pracuje v dvoch oblastiach: vypnutie (stav OFF) a sýtosť (stav ON). V oblasti odstrihnutia netečie žiadny základný prúd a tranzistor blokuje prúd na strane kolektora, takže záťaž zostáva vypnutá. V oblasti nasýtenia tečie dostatok základného prúdu na úplné zapnutie tranzistora, čo umožňuje prúd prechádzať z kolektora do emitora a napájať záťaž.
Na použitie tranzistora NPN ako prepínača je potrebný základný odpor (RB), ktorý obmedzí prúd idúci do základne. Základný prúd sa vypočíta pomocou:
kde IC je prúd cez záťaž a βforced je znížená hodnota zisku používaná na bezpečné prepínanie, β/10. Základný odpor sa potom vypočíta pomocou:
kde VIN je riadiace napätie a VBE je napätie základného žiariča (asi 0,7 V pre kremíkové tranzistory). Tieto vzorce pomáhajú zabezpečiť, aby tranzistor dostával dostatočný základný prúd na správne prepínanie bez poškodenia.
PNP tranzistor ako prepínač
Tranzistor PNP sa môže použiť aj ako prepínač, ale používa sa pri vysokom spínaní, kde je záťaž pripojená k zemi a tranzistor riadi pripojenie ku kladnému napájaciemu napätiu. V tejto konfigurácii je žiarič tranzistora PNP pripojený k +VCC, kolektor je pripojený k záťaži a záťaž sa pripája k zemi Tranzistor sa zapne, keď je základňa stiahnutá nízko (pod napätie emitora), a vypne sa, keď je základňa vytiahnutá vysoko (blízko +VCC). Vďaka tomu sú tranzistory PNP vhodné pre spínacie obvody, kde musí byť záťaž pripojená priamo na kladnú koľajnicu, napríklad v automobilových elektroinštaláciách a systémoch distribúcie energie.
Na obmedzenie prúdu prúdiaceho do základne je potrebný základný odpor (RB). Základný prúd sa vypočíta pomocou:
kde IC je kolektorový prúd a βforced sa berie ako jedna desatina typického zisku tranzistora pre spoľahlivé prepínanie. Hodnota základného odporu sa potom vypočíta pomocou:
V tranzistoroch PNP je VBE približne -0,7 V pri predpätí. Riadiaci signál musí byť vytiahnutý dostatočne nízko, aby sa predpätie spoja báza-emiter dopredu a tranzistor sa zapol.
Základný rezistor v prepínaní BJT
Pri použití tranzistora BJT ako prepínača je potrebný základný odpor (RB) na riadenie prúdu smerujúceho do základnej svorky. Rezistor chráni tranzistor a riadiaci zdroj, ako je kolík mikrokontroléra, pred príliš veľkým prúdom. Bez tohto odporu by prechod báza-žiarič mohol odoberať nadmerný prúd a poškodiť tranzistor. Základný rezistor tiež zaisťuje, že tranzistor správne prepína medzi stavmi OFF a ON.
Na úplné zapnutie tranzistora (režim nasýtenia) musí byť poskytnutý dostatočný základný prúd. Základný prúd IB sa vypočíta pomocou IC prúdu kolektora a hodnoty bezpečného zisku nazývanej nútená beta:
Namiesto použitia normálneho zisku tranzistora (beta) sa z bezpečnostných dôvodov používa nižšia hodnota nazývaná nútená beta:
Po výpočte základného prúdu sa hodnota základného odporu zistí pomocou Ohmovho zákona:
Tu je VIN riadiace napätie a VBE je napätie základného žiariča, okolo 0.7 V pre kremíkové BJT.
Prepínanie MOSFET v riadení na logickej úrovni
MOSFETy sa používajú ako elektronické spínače v moderných obvodoch, pretože ponúkajú vyššiu účinnosť a nižšie straty výkonu v porovnaní s BJT. MOSFET funguje tak, že na svoju svorku hradla privádza napätie, ktoré riadi tok prúdu medzi odtokom a zdrojom. Na rozdiel od BJT, ktoré vyžadujú nepretržitý základný prúd, sú MOSFETy poháňané napätím a neodoberajú takmer žiadny prúd na bráne, vďaka čomu sú vhodné pre systémy napájané z batérie a na báze mikrokontrolérov.
MOSFETy sú preferované pre spínacie aplikácie, pretože podporujú vyššie spínacie rýchlosti, vyššiu manipuláciu s prúdom a veľmi nízky odpor zapnutia RDS(zapnuté), čo minimalizuje zahrievanie a energetické straty. Bežne sa používajú v ovládačoch motorov, LED pásikoch, relé, výkonových meničoch a automatizačných systémoch. MOSFETy na logickej úrovni sú špeciálne navrhnuté tak, aby sa plne zapli pri nízkych napätiach hradla, 5 V alebo 3,3 V, vďaka čomu sú ideálne na priame prepojenie s mikrokontrolérmi, ako sú Arduino, ESP32 a Raspberry Pi bez potreby obvodu ovládača brány.
Bežne používané MOSFETy na logickej úrovni zahŕňajú:
• IRLZ44N – vhodné na spínanie vysokovýkonných záťaží, ako sú jednosmerné motory, relé a LED pásy.
• AO3400 – kompaktný SMD MOSFET vhodný pre digitálne spínacie aplikácie s nízkou spotrebou energie.
• IRLZ34N – používa sa na stredné až vysoké prúdové zaťaženie v robotike a automatizácii.
Prepínanie na nízkej a vysokej strane
Prepínanie na nízkej strane
Pri prepínaní na nízkej strane je tranzistor umiestnený medzi záťažou a zemou. Keď je tranzistor zapnutý, dokončí cestu k zemi a umožní prúd cez záťaž. Táto metóda je jednoduchá a ľahko použiteľná, a preto je bežná v digitálnych obvodoch a obvodoch založených na mikrokontroléroch. Prepínanie na nízkej strane sa vykonáva pomocou tranzistorov NPN alebo N-kanálových MOSFETov, pretože sa dajú ľahko ovládať riadiacim signálom odkazujúcim na zem. Táto metóda sa používa na úlohy, ako je spínanie LED diód, relé a malých motorov.
Prepínanie na vysokej strane
Pri prepínaní na vysokej strane je tranzistor umiestnený medzi napájacím zdrojom a záťažou. Keď sa tranzistor zapne, pripojí záťaž k napájaniu kladného napätia. Táto metóda sa používa, keď záťaž musí zostať pripojená k zemi z bezpečnostných dôvodov alebo z referenčných dôvodov signálu. Prepínanie na vysokej strane sa vykonáva pomocou tranzistorov PNP alebo tranzistorov MOSFET s P-kanálom. Je však o niečo ťažšie ho ovládať, pretože základňa alebo brána musí byť napájaná na nižšie napätie ako napájanie, aby sa mohla zapnúť. Prepínanie na vysokej strane sa bežne používa v automobilových obvodoch, systémoch napájaných z batérie a aplikáciách na riadenie napájania.
Ochrana proti indukčnému spínaniu záťaže
Keď sa tranzistor používa na riadenie indukčných záťaží, ako sú motory, relé, solenoidy alebo cievky, potrebuje ochranu pred napäťovými špičkami. Tieto záťaže hromadia energiu v magnetickom poli, zatiaľ čo nimi preteká prúd. V okamihu, keď sa tranzistor vypne, magnetické pole sa zrúti a uvoľní túto energiu ako náhly vysokonapäťový nárast. Bez ochrany môže tento hrot poškodiť tranzistor a ovplyvniť celý obvod.
Aby sa tomu zabránilo, pridávajú sa ochranné komponenty cez záťaž. Najbežnejšou je spätná dióda, ako napríklad 1N4007, pripojená opačne cez cievku. Táto dióda poskytuje prúdu bezpečnú cestu k toku, keď sa tranzistor vypne, čím sa zastaví špička napätia. V obvodoch, kde je potrebné regulovať elektrický šum, sa na zníženie ostrých impulzov používa RC tlmič (odpor a kondenzátor v sérii). Pre obvody, ktoré sa zaoberajú vyšším napätím, sa používa dióda TVS (Transient Voltage Suppression) na obmedzenie nebezpečných hrotov a ochranu elektronických súčiastok.
Rozhranie mikrokontroléra so spínaním tranzistorov
Mikrokontroléry ako Arduino, ESP32 a STM32 môžu poskytovať iba malý výstupný prúd zo svojich pinov GPIO. Tento prúd je obmedzený na približne 20–40 mA, čo nestačí na napájanie zariadení, ako sú motory, relé, solenoidy alebo vysokovýkonné LED diódy. Na riadenie týchto vyšších prúdových záťaží sa medzi mikrokontrolérom a záťažou používa tranzistor. Tranzistor funguje ako elektronický spínač, ktorý umožňuje malému signálu z mikrokontroléra ovládať väčší prúd z externého zdroja energie.
Pri výbere tranzistora sa uistite, že sa môže úplne zapnúť s výstupným napätím mikrokontroléra. MOSFETy na logickej úrovni sú dobrou voľbou pre väčšie záťaže, pretože majú nízky odpor pri zapnutí a počas prevádzky zostávajú chladné. BJT ako 2N2222 sú vhodné pre menšie zaťaženie.
| Mikrokontrolér | Výstupné napätie | Odporúčaný tranzistor |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) alebo IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3,3 V | AO3400 (N-MOSFET) |
| STM32 | 3,3 V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Záver
Tranzistory sú spoľahlivé elektronické spínače používané na ovládanie LED diód, relé, motorov a napájacích obvodov. Použitím správneho základného alebo hradlového odporu, pridaním ochrany proti spätnému chodu pre indukčné záťaže a výberom správneho spôsobu spínania sa obvody stanú bezpečnými a efektívnymi. Pochopenie tranzistorového spínania pomáha navrhovať stabilné elektronické systémy so správnym ovládaním a ochranou.
Často kladené otázky [FAQ]
Prečo si na prepínanie vybrať MOSFET namiesto BJT?
MOSFET sa prepína rýchlejšie, má nižšie straty energie a nepotrebuje nepretržitý hradlový prúd.
Čo spôsobuje prehriatie tranzistora v spínacích obvodoch?
Teplo je spôsobené stratou výkonu počas prepínania, vypočítanou ako P = V × I, ak tranzistor nie je úplne zapnutý.
Čo je RDS(on) v MOSFETe?
Je to odpor zapnutia medzi odtokom a zdrojom. Nižšie RDS (zapnuté) znamená nižšie teplo a lepšiu účinnosť.
Môže tranzistor spínať AC záťaže?
Nie priamo. Jeden tranzistor funguje iba pre jednosmerný prúd. Pre AC záťaže sa používajú SCR, TRIAC alebo relé.
Prečo by brána alebo základňa nemali zostať plávať?
Plávajúca brána alebo základňa môžu zachytávať hluk a spôsobiť náhodné prepínanie, čo vedie k nestabilnej prevádzke.
Ako môže byť brána MOSFET chránená pred vysokým objemomtage?
Použite zenerovu diódu medzi bránou a zdrojom na clamp dodatočné napätie a zabránenie poškodeniu brány.