Transistörün Anahtar Olarak Kullanılması

Bu yazımızda öğrenmekte olduğumuz transistörün anahtar olarak kullanılmasını göreceğiz. Bir AC sinyal amplifikatörü olarak kullanıldığında, transistörlerin temel bias voltajı, her zaman “aktif” bölgesinde çalışacak şekilde uygulanır. Yani çıkış karakteristiklerinin doğrusal kısmı eğrileri kullanılır.

Bununla birlikte, hem NPN hem de PNP tipi bipolar transistörler, transistörlerin taban terminalini bir sinyal amplifikatörü için olandan farklı olarak eğerek “açma/kapama” tipi katı hal anahtarı olarak çalışacak şekilde yapılabilir.

Katı hal anahtarları, bir DC çıkışını “açık” veya “kapalı” olarak değiştirmesi, transistörün kullanımı gereken ana uygulamalardan biridir. LED’ler gibi bazı çıkış cihazları, mantık seviyesi DC voltajlarında sadece birkaç miliamper gerektirir. Bu nedenle doğrudan bir mantık kapısının çıkışı ile tahrik edilebilir. Bununla birlikte, motorlar, solenoidler veya lambalar gibi yüksek güçlü cihazlar genellikle sıradan bir mantık kapısı tarafından sağlanandan daha fazla güç gerektirir, bu nedenle transistör anahtarları kullanılır.

Devre Bipolar transistörü bir anahtar olarak kullanıyorsa, transistörün bias’ı, NPN veya PNP transistörü daha önce gördüğümüz “ I-V ” karakteristik eğrilerinin her iki tarafında da çalışacak şekilde düzenlenmiştir. Bir transistör anahtarının çalışma alanları Doygunluk bölgesi ve kesme bölgesi olarak bilinir.

Çalışma Bölgeleri

Eğrilerin altındaki pembe gölgeli alan “kesme ” bölgesini temsil ederken, soldaki mavi alan transistörün “Doygunluk” bölgesini temsil eder. Bu transistör bölgelerinin her ikisi de şu şekilde tanımlanır:

1. Kesme Bölgesi

Burada transistörün çalışma koşulları sıfır giriş base akımı ( IB ), sıfır çıkış kollektör akımı ( IC ) ve maksimum kollektör voltajıdır(VCE). Bu da büyük bir tükenme tabakasına ve cihazdan akan akıma neden olmaz. Bu nedenle transistör “tamamen kapalı” olarak değiştirilir.

2. Doygunluk Bölgesi

Ardından, bir bipolar transistörü bir anahtar olarak kullanırken, her iki bağlantı da ileri biased olmalı. VB> 0.7v ve IC = Maksimum olarak “doyma bölgesi” veya “AÇIK modu” tanımlayabiliriz. Bir PNP transistörü için emitter potansiyeli, Base’e göre pozitif olmalıdır.

Daha sonra transistör “tek kutuplu tek atışlı” (SPST) katı hal anahtarı olarak çalışır. Transistörün tabanına sıfır sinyal uygulandığında, açık bir anahtar gibi davranarak “kapanır ” ve sıfır kollektör akımı akar. Transistörün tabanına pozitif bir sinyal uygulandığında, kapalı bir anahtar gibi davranarak “açılır ” ve maksimum devre akımı cihazdan akar.

Orta ila yüksek güç arasında geçiş yapmanın en kolay yolu, açık kollektör çıkışı olan bir transistör ve doğrudan toprağa bağlı bir transistör emitter terminali kullanmaktır. Bu şekilde kullanıldığında, transistörlerin açık kollektör çıkışı, harici olarak verilen voltajı toprağa bağlayabilir ve böylece bağlı herhangi bir yükü kontrol edebiliriz.

Bir röleyi çalıştırmak için kullanılan bir anahtar olarak bir NPN Transistörünün bir örneği aşağıda verilmiştir. Röleler veya solenoidler gibi endüktif yüklerde, transistör “kapalı” olduğunda endüktif yük tarafından üretilen arka EMF’Yİ dağıtmak ve böylece transistörü hasardan korumak için yük boyunca bir volan diyotu yerleştirilir. Yük, motorlar, ısıtıcılar vb.gibi çok yüksek bir akım veya voltaj niteliğindeyse, yük akımı gösterildiği gibi uygun bir röle ile kontrol edilebilir.

Temel NPN Transistör Anahtarlama Devresi

Devre, önceki öğreticilerde baktığımız ortak emitter devresine benzemektedir. Bu seferki fark, transistörü bir anahtar olarak çalıştırmak için transistörün tamamen “kapalı” (kesme) veya tamamen “açık” (doymuş) olması gerektiğidir.

Uygulamada, transistör “kapalı” olduğunda, küçük kaçak akımlar transistörden akar ve tamamen “açık” olduğunda, cihaz düşük bir direnç değerine sahiptir ve bu da küçük bir doyma voltajına ( VCE ) neden olur. Transistör mükemmel bir anahtar olmasa da, hem kesme hem de doygunluk bölgelerinde transistör tarafından dağıtılan güç minimumdur.

Base akımının akması için, base giriş terminali, bir silikon cihaz için gerekli olan 0.7 voltun üzerine çıkarak emiterden daha pozitif hale getirilmelidir. Bu base-emittervoltajı VBE’Yİ değiştirerek, base akımı da değiştirilir ve bu da daha önce tartışıldığı gibi transistörden akan kolektör akımı miktarını kontrol eder.

Maksimum kollektör akımı aktığında, transistörün doymuş olduğu söylenir. Taban direncinin değeri, transistörü tamamen “açmak”için ne kadar giriş voltajının gerekli olduğunu ve karşılık gelen taban akımını belirler.

Anahtar Olarak Kullanılan Transistör Örneği

Önceki öğreticilerden transistör değerlerini kullanarak: β = 200, Ic = 4mA ve Ib = 20uA, giriş terminali voltajı 2.5 v’u aştığında yükü tamamen “açmak” için gereken taban direncinin (Rb) değerini bulun.

Bir sonraki en düşük tercih edilen değer: 82kΩ, bu transistör anahtarının her zaman doymuş olmasını garanti eder.

Dijital Mantık Transistör Anahtarı

Temel direnç, rb mantık kapısından çıkış akımını sınırlamak için gereklidir.

PNP Transistör Anahtarı

PNP Transistörlerini bir anahtar olarak da kullanabiliriz, bu sefer fark, yükün toprağa (0v) bağlı olması ve PNP transistörünün gücü ona geçirmesidir. Bir anahtar olarak çalışan PNP transistörünü “açık” olarak açmak için, taban terminali gösterildiği gibi toprağa veya sıfır volt’a (düşük) bağlanır.

PNP Transistör Anahtarlama Devresi

base direncini, kollektör akımını ve voltajlarını hesaplamak için kullanılan denklemler, önceki NPN transistör anahtarı ile tamamen aynıdır. Bu seferki fark, bir NPN transistörü (batan akım) ile zemini değiştirmek yerine bir PNP transistörü (kaynak akımı) ile güç değiştirmemizdir.

Darlington Transistör Anahtarı

Bazen bipolar transistörün DC akım kazancı, yük akımını veya voltajını doğrudan değiştirmek için çok düşüktür. Bu nedenle çoklu anahtarlama transistörleri kullanılır. Burada çok daha büyük bir akım işleme çıkış transistörünü “açmak” veya “kapatmak” için küçük bir giriş transistörü kullanılır. Sinyal kazancını en üst düzeye çıkarmak için, iki transistör bir “tamamlayıcı kazanç bileşik konfigürasyonuna bağlanmaktadır. Daha yaygın olarak “Darlington konfigürasyonu” olarak adlandırılan şey, iki ayrı transistörün ürünüdür.

Darlington Transistörler sadece ilk transistör akım kazancı çok daha küçük bir Baz akımı için çok yüksek akım kazancı ile tek bir transistör gibi davranan bir cihaz üretmek için ikinci transistör akım kazancı ile çarpılır iki ayrı bipolar NPN veya PNP tipi transistörler birbirine bağlı içerir. Bir Darlington Cihazının genel akım kazancı Beta (β) veya hfe değeri, transistörlerin iki bireysel kazancının ürünüdür ve şu şekilde verilir:

Bu nedenle, tek bir transistör anahtarına kıyasla çok yüksek β değerlerine ve yüksek kollektör akımlarına sahip Darlington Transistörleri mümkündür. Örneğin, ilk giriş transistörü 100’lük bir akım kazancına sahipse ve ikinci anahtarlama transistörü 50’lik bir akım kazancına sahipse, toplam akım kazancı 100 * 50 = 5000 olacaktır. Örneğin, yukarıdan gelen yük akımımız 200mA ise, darlington baz akımı sadece 200mA / 5000 = 40ua’dır. Tek bir transistör için önceki 1ma’dan büyük bir azalma.

Darlington Transistör Konfigürasyonları