Der Bipolar-Junction-Transistor (BJT) als Schalter

Bipolartransistoren (Auch bekannt als BJTs) können als Verstärker, Filter, Gleichrichter, Oszillator oder sogar als Schalter verwendet werden die wir im ersten Abschnitt als Beispiel behandeln. Der Transistor arbeitet als Verstärker oder andere lineare Schaltung, wenn der Transistor in den linearen Bereich vorgespannt ist. Der Transistor kann als Schalter verwendet werden, wenn er in den Sättigungs- und Sperrbereichen vorgespannt ist. Dadurch kann Strom in anderen Teilen eines Stromkreises fließen (oder nicht).

Da der Kollektorstrom eines Transistors proportional durch seinen Basisstrom begrenzt wird, kann er als eine Art stromgesteuerter Schalter verwendet werden. Ein relativ kleiner Elektronenfluss, der durch die Basis des Transistors geschickt wird, hat die Fähigkeit, einen viel größeren Elektronenfluss durch den Kollektor zu kontrollieren.

Ein BJT als Schalter verwenden:Ein Beispiel

Angenommen, wir hätten eine Lampe, die wir mit einem Schalter ein- und ausschalten wollten. Eine solche Schaltung wäre extrem einfach, wie in der Abbildung unten (a).

Zur Veranschaulichung fügen wir einen Transistor anstelle des Schalters ein, um zu zeigen, wie er den Elektronenfluss durch die Lampe steuern kann. Denken Sie daran, dass der gesteuerte Strom durch einen Transistor zwischen Kollektor und Emitter fließen muss.

Da wir den Strom durch die Lampe steuern möchten, müssen wir Kollektor und Emitter unseres Transistors dort positionieren, wo die beiden Kontakte des Schalters waren. Wir müssen auch sicherstellen, dass sich der Strom der Lampe gegen bewegt die Richtung des Emitter-Pfeilsymbols, um sicherzustellen, dass die Sperrschichtvorspannung des Transistors wie in der Abbildung unten (b) dargestellt ist.

(a) mechanischer Schalter, (b) NPN-Transistorschalter, (c) PNP-Transistorschalter.

Für den Job hätte auch ein PNP-Transistor gewählt werden können. Seine Anwendung ist in der obigen Abbildung (c) dargestellt.

Die Wahl zwischen NPN und PNP ist wirklich willkürlich. Wichtig ist nur, dass die richtigen Stromrichtungen aufrechterhalten werden, damit die Sperrschicht richtig vorgespannt wird (der Elektronenfluss geht entgegen Pfeil des Transistorsymbols).

In den obigen Abbildungen ist die Basis eines der beiden BJTs nicht mit einer geeigneten Spannung verbunden und es fließt kein Strom durch die Basis. Folglich kann der Transistor nicht einschalten. Am einfachsten wäre es vielleicht, einen Schalter zwischen den Basis- und Kollektordrähten des Transistors anzuschließen, wie in Abbildung (a) unten gezeigt.

Transistor:(a) Abschalten, Lampe aus; (b) gesättigt, Lampe an.

Cutoff vs. gesättigte Transistoren

Wenn der Schalter wie in Abbildung (a) geöffnet ist, bleibt der Basisdraht des Transistors „schwebend“ (nicht mit irgendetwas verbunden) und es fließt kein Strom durch ihn. In diesem Zustand gilt der Transistor als abgeschnitten .

Wenn der Schalter wie in Abbildung (b) geschlossen ist, kann Strom von der Basis zum Emitter des Transistors durch den Schalter fließen. Dieser Basisstrom ermöglicht einen viel größeren Stromfluss vom Kollektor zum Emitter, wodurch die Lampe zum Leuchten kommt. In diesem Zustand maximalen Stroms gilt der Transistor als gesättigt .

Natürlich kann es sinnlos erscheinen, einen Transistor in dieser Eigenschaft zur Steuerung der Lampe zu verwenden. Anstelle eines Transistors reicht ein normaler Schalter für die Funktion aus.

Warum einen Transistor zur Stromsteuerung verwenden?

Hier lassen sich zwei Punkte anführen. Erstens müssen die Schaltkontakte bei dieser Verwendung nur den geringen Basisstrom verarbeiten, der zum Einschalten des Transistors erforderlich ist; der Transistor selbst verarbeitet den größten Teil des Lampenstroms. Dies kann ein wichtiger Vorteil sein, wenn der Schalter einen niedrigen Nennstrom hat:Ein kleiner Schalter kann verwendet werden, um eine relativ hohe Stromlast zu steuern.

Noch wichtiger ist, dass das stromsteuernde Verhalten des Transistors es uns ermöglicht, etwas völlig anderes zum Ein- oder Ausschalten der Lampe zu verwenden. Betrachten Sie die Abbildung unten, in der ein Solarzellenpaar 1 V liefert, um die 0,7 V Basis-Emitter-Spannung des Transistors zu überwinden, um einen Basisstromfluss zu bewirken, der wiederum die Lampe steuert.

Solarzelle dient als Lichtsensor.

Oder wir könnten ein Thermoelement (viele in Reihe geschaltet) verwenden, um den notwendigen Basisstrom bereitzustellen, um den Transistor in der Abbildung unten einzuschalten.

Ein einzelnes Thermoelement liefert weniger als 40 mV. Viele in Reihe können mehr als den 0,7-V-Transistor V_BE . erzeugen um einen Basisstromfluss und folglich einen Kollektorstrom zur Lampe zu verursachen.

Sogar ein Mikrofon (siehe Abbildung unten) mit ausreichend Spannung und Strom (von einem Verstärker) könnte den Transistor einschalten, vorausgesetzt, sein Ausgang wird von Wechselstrom zu Gleichstrom gleichgerichtet, so dass der Emitter-Basis-PN-Übergang innerhalb des Transistors immer in Durchlassrichtung liegt -voreingenommen:

Das verstärkte Mikrofonsignal wird zu Gleichstrom gleichgerichtet, um die Basis des Transistors vorzuspannen und einen größeren Kollektorstrom bereitzustellen.

Der Punkt sollte jetzt ziemlich klar sein. Jede ausreichende Gleichstromquelle kann verwendet werden, um den Transistor einzuschalten, und diese Stromquelle muss nur ein Bruchteil des Stroms sein, der zum Einschalten der Lampe benötigt wird.

Hier sehen wir, dass der Transistor nicht nur als Schalter, sondern auch als true-Verstärker fungiert:ein Signal mit relativ geringer Leistung verwendet, um eine relativ große Leistung zu steuern. Bitte beachten Sie, dass die eigentliche Leistung zum Anzünden der Lampe aus der Batterie rechts neben dem Schaltplan stammt. Es ist nicht so, dass der kleine Signalstrom der Solarzelle, des Thermoelements oder des Mikrofons auf magische Weise in eine größere Leistung umgewandelt wird. Stattdessen steuern diese kleinen Stromquellen einfach die Leistung der Batterie, um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

Der BJT als Switch REVIEW:

• Transistoren können als Schaltelemente verwendet werden, um Gleichstrom zu einer Last zu steuern. Der geschaltete (gesteuerte) Strom fließt zwischen Emitter und Kollektor; der Steuerstrom fließt zwischen Emitter und Basis.
• Wenn durch einen Transistor kein Strom fließt, befindet er sich in einem Zustand der Abschaltung (vollständig nichtleitend).
• Wenn ein Transistor den maximalen Strom hat, spricht man von einem Sättigungszustand (vollständig leitend).

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• Bipolartransistoren als Schalter Arbeitsblatt