Tranzistor může fungovat jako elektronický spínač pro řízení proudu v obvodu. Využívá malý signál k zapnutí nebo vypnutí větších zátěží, takže je užitečný v mnoha elektronických systémech. Tento článek vysvětluje, jak se tranzistory BJT a MOSFET používají při přepínání, včetně ovládání na nízké a horní straně, základních a hradlových odporů, ochrany proti indukční zátěži a podrobného rozhraní mikrokontroléru.
Bod 3. Tranzistorové aplikace ve spínacích obvodech
Bod 4. Tranzistor NPN jako spínač
Bod 5. PNP tranzistor jako spínač
Kapitola 10. Rozhraní mikrokontroléru s přepínáním tranzistorů
Kapitola 11. Závěr
Č. 12. Často kladené dotazy [FAQ]
Přehled spínání tranzistorů
Tranzistor je polovodičové zařízení, které může fungovat jako elektronický spínač pro řízení toku proudu v obvodu. Na rozdíl od mechanických spínačů, které fyzicky otevírají nebo zavírají cestu, tranzistor provádí spínání elektronicky pomocí řídicího signálu aplikovaného na jeho základnu (BJT) nebo bránu (FET). Ve spínacích aplikacích pracuje tranzistor pouze ve dvou hlavních oblastech: v oblasti vypnutí (stav OFF), kde neprotéká žádný proud a tranzistor se chová jako otevřený spínač, a v oblasti nasycení (stav ON), kde protéká maximální proud s minimálním poklesem napětí a chová se jako zavřený spínač.
Stavy spínání tranzistorů
| Region | Stav spínače | Popis | Využití při přepínání |
|---|---|---|---|
| Mezní doba | VYPNUTO | Žádné proudové toky (otevřený obvod) | Použitý |
| Aktivní | Lineární | Částečné vedení | Vyhněte se (zesilovače) |
| Sytost | DNE | Maximální průtok proudem (uzavřená cesta) | Použitý |
Tranzistorové aplikace ve spínacích obvodech
Ovládání relé a solenoidu
Tranzistory pohánějí relé a solenoidy tím, že poskytují požadovaný proud cívky, který mikrokontroléry nemohou dodávat přímo. Dioda flyback se používá pro ochranu proti napěťovým špičkám.
Přepínání LED a lamp
Tranzistory spínají LED diody a malé lampy pomocí slabých řídicích signálů a zároveň chrání řídicí obvod před nadměrným proudem. Používají se v indikátorech, displejích a řízení osvětlení.
Ovladače motorů
Tranzistory pohánějí stejnosměrné motory tím, že fungují jako vysokoproudé spínače. Výkonové BJT nebo MOSFETy se používají pro spolehlivou regulaci v robotice, ventilátorech, čerpadlech a automatizačních systémech.
Obvody řízení napájení
Tranzistory se používají při elektronickém spínání, ochraně a regulaci. Objevují se v nabíječkách baterií, stejnosměrných měničích a obvodech automatického řízení výkonu.
Rozhraní mikrokontroléru
Tranzistory propojují mikrokontroléry s vysoce výkonnými zátěžemi. Zesilují slabé logické signály a umožňují ovládání relé, motorů, bzučáků a silnoproudých LED diod.
NPN tranzistor jako spínač
Tranzistor NPN lze použít jako elektronický spínač pro ovládání zátěží, jako jsou LED diody, relé a malé motory, pomocí signálu s nízkou spotřebou ze zařízení, jako jsou senzory nebo mikrokontroléry. Když tranzistor pracuje jako spínač, pracuje ve dvou oblastech: cut-off (stav OFF) a saturace (stav ON). V oblasti vypnutí neprotéká žádný základní proud a tranzistor blokuje proud na straně kolektoru, takže zátěž zůstává vypnutá. V oblasti nasycení protéká dostatek základního proudu k úplnému zapnutí tranzistoru, což umožňuje průchod proudu z kolektoru do emitoru a napájení zátěže.
Chcete-li použít tranzistor NPN jako spínač, je zapotřebí bázový odpor (RB), který omezí proud procházející do základny. Základní proud se vypočítá pomocí:
kde IC je proud procházející zátěží a βforced je snížená hodnota zesílení používaná pro bezpečné přepínání, β/10. Bázový odpor se pak vypočítá pomocí:
kde VIN je řídicí napětí a VBE je napětí báze-emitor (asi 0,7 V pro křemíkové tranzistory). Tyto vzorce pomáhají zajistit, aby tranzistor dostával dostatek základního proudu, aby se správně přepínal, aniž by se poškodil.
PNP tranzistor jako spínač
Tranzistor PNP lze také použít jako spínač, ale používá se při spínání na vysoké straně, kde je zátěž připojena k zemi a tranzistor řídí připojení ke kladnému napájecímu napětí. V této konfiguraci je emitor tranzistoru PNP připojen k + VCC, sběrač je připojen k zátěži a zátěž se připojuje k zemi. Tranzistor se zapne, když je základna vytažena nízko (pod napětí emitoru), a vypne se, když je základna vytažena vysoko (blízko +VCC). Díky tomu jsou tranzistory PNP vhodné pro spínání obvodů, kde musí být zátěž připojena přímo ke kladné většině, například v automobilových rozvodech a rozvodech energie.
K omezení proudu protékajícího do báze je zapotřebí bázový odpor (RB). Základní proud se vypočítá pomocí:
kde IC je kolektorový proud a βvynucený je považován za jednu desetinu typického zisku tranzistoru pro spolehlivé spínání. Hodnota bázového odporu se pak vypočítá pomocí:
V tranzistorech PNP je VBE přibližně -0,7 V při dopředném předpětí. Řídicí signál musí být stažen dostatečně nízko, aby se předpjatý přechod báze-emitor zapnul tranzistor.
Základní odpor při přepínání BJT
Při použití tranzistoru BJT jako spínače je vyžadován základní odpor (RB) pro řízení proudu vstupujícího do svorky základny. Rezistor chrání tranzistor a řídicí zdroj, jako je pin mikrokontroléru, před příliš velkým proudem. Bez tohoto odporu by přechod báze-emitor mohl odebírat nadměrný proud a poškodit tranzistor. Bázový odpor také zajišťuje, aby tranzistor správně přepínal mezi stavy OFF a ON.
Pro úplné zapnutí tranzistoru (režim saturace) musí být zajištěn dostatečný základní proud. Základní proud IB se vypočítá pomocí kolektorového proudu IC a bezpečné hodnoty zesílení zvané vynucená beta:
Namísto použití normálního zesílení tranzistoru (beta) se pro bezpečnost používá nižší hodnota nazývaná vynucená beta:
Po výpočtu základního proudu se hodnota základního odporu zjistí pomocí Ohmova zákona:
Zde je VIN řídicí napětí a VBE je napětí báze-emitoru, kolem 0,7 V pro křemíkové BJT.
Spínání MOSFETů v logickém řízení
MOSFETy se používají jako elektronické spínače v moderních obvodech, protože nabízejí vyšší účinnost a nižší ztráty výkonu ve srovnání s BJT. MOSFET pracuje přivedením napětí na svou hradlovou svorku, která řídí tok proudu mezi odtokem a zdrojem. Na rozdíl od BJT, které vyžadují nepřetržitý základní proud, jsou MOSFETy napájeny napětím a neodebírají téměř žádný proud na hradle, takže jsou vhodné pro systémy napájené bateriemi a mikrokontroléry.
MOSFETy jsou preferovány pro spínací aplikace, protože podporují vyšší spínací rychlosti, vyšší proudovou manipulaci a velmi nízký odpor při zapnutí RDS(on), který minimalizuje zahřívání a ztráty energie. Běžně se používají v ovladačích motorů, LED páscích, relé, výkonových měničích a automatizačních systémech. MOSFETy na logické úrovni jsou speciálně navrženy tak, aby se plně zapnuly při nízkém napětí hradla, 5 V nebo 3,3 V, takže jsou ideální pro přímé propojení s mikrokontroléry, jako jsou Arduino, ESP32 a Raspberry Pi, bez potřeby obvodu budiče brány.
Mezi běžně používané tranzistory MOSFET na logické úrovni patří:
• IRLZ44N – vhodné pro spínání zátěží s vysokým výkonem, jako jsou stejnosměrné motory, relé a LED pásky.
• AO3400 – kompaktní SMD MOSFET vhodný pro digitální spínací aplikace s nízkou spotřebou.
• IRLZ34N – používá se pro střední až vysoké proudové zátěže v robotice a automatizaci.
Přepínání na nízké a vysoké straně
Přepínání na spodní straně
Při spínání na nízké straně je tranzistor umístěn mezi zátěží a zemí. Když je tranzistor zapnutý, dokončí cestu k zemi a umožní proudu protékat zátěží. Tato metoda je jednoduchá a snadno použitelná, a proto je běžná v obvodech založených na digitálních a mikrokontrolérech. Spínání na spodní straně se provádí pomocí tranzistorů NPN nebo N-kanálových MOSFETů, protože je lze snadno ovládat pomocí řídicího signálu vztaženého na zem. Tato metoda se používá pro úkoly, jako je spínání LED, relé a malých motorů.
Přepínání na vysoké straně
Při spínání na vysoké straně je tranzistor umístěn mezi napájecím zdrojem a zátěží. Když se tranzistor zapne, připojí zátěž ke kladnému napětí. Tato metoda se používá, když zátěž musí zůstat připojena k zemi z bezpečnostních důvodů nebo z důvodu referenčního signálu. Spínání na vysoké straně se provádí pomocí PNP tranzistorů nebo P-kanálových MOSFETů. Je však o něco obtížnější jej ovládat, protože pro zapnutí musí být základna nebo brána poháněna na nižší napětí, než je napájení. Přepínání na vysoké straně se běžně používá v automobilových obvodech, systémech napájených bateriemi a aplikacích řízení výkonu.
Ochrana spínání induktivní zátěže
Když se tranzistor používá k řízení indukčních zátěží, jako jsou motory, relé, solenoidy nebo cívky, potřebuje ochranu před napěťovými špičkami. Tyto zátěže vytvářejí energii v magnetickém poli, zatímco jimi protéká proud. V okamžiku, kdy se tranzistor vypne, magnetické pole se zhroutí a uvolní tuto energii jako náhlý nárůst vysokého napětí. Bez ochrany může tato špička poškodit tranzistor a ovlivnit celý obvod.
Aby se tomu zabránilo, jsou do zátěže přidány komponenty ochrany. Nejběžnější je flyback dioda, například 1N4007, zapojená obráceně přes cívku. Tato dioda poskytuje proudu bezpečnou cestu k toku, když se tranzistor vypne, a zastaví tak napěťovou špičku. V obvodech, kde musí být řízen elektrický šum, se ke snížení ostrých impulsů používá RC tlumič (rezistor a kondenzátor v sérii). U obvodů, které pracují s vyšším napětím, se používá dioda TVS (Transient Voltage Suppression), která omezuje nebezpečné špičky a chrání elektronické součásti.
Rozhraní mikrokontroléru s přepínáním tranzistorů
Mikrokontroléry jako Arduino, ESP32 a STM32 mohou ze svých pinů GPIO poskytovat pouze malý výstupní proud. Tento proud je omezen na přibližně 20–40 mA, což nestačí k napájení zařízení, jako jsou motory, relé, solenoidy nebo vysoce výkonné LED diody. K řízení těchto vyšších proudových zátěží se mezi mikrokontrolérem a zátěží používá tranzistor. Tranzistor funguje jako elektronický spínač, který umožňuje malému signálu z mikrokontroléru ovládat větší proud z externího zdroje energie.
Při výběru tranzistoru se ujistěte, že se může plně zapnout s výstupním napětím mikrokontroléru. MOSFETy na logické úrovni jsou dobrou volbou pro větší zátěže, protože mají nízký odpor při zapnutí a během provozu zůstávají chladné. BJT jako 2N2222 jsou vhodné pro menší zatížení.
| Mikrokontrolér | Výstupní napětí | Doporučený tranzistor |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) nebo IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3.3V | AO3400 (N-MOSFET) |
| Modul STM32 | 3.3V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Závěr
Tranzistory jsou spolehlivé elektronické spínače používané k ovládání LED diod, relé, motorů a výkonových obvodů. Použitím správného základního nebo hradlového odporu, přidáním ochrany proti zpětnému chodu pro indukční zátěže a výběrem správné metody spínání se obvody stanou bezpečnými a efektivními. Pochopení spínání tranzistorů pomáhá navrhovat stabilní elektronické systémy se správným ovládáním a ochranou.
Často kladené dotazy [FAQ]
Proč zvolit pro spínání MOSFET místo BJT?
MOSFET spíná rychleji, má nižší ztrátové napětí a nepotřebuje trvalý hradlový proud.
Co způsobuje přehřátí tranzistoru ve spínacích obvodech?
Teplo je způsobeno ztrátou výkonu při spínání, která se vypočítá jako P = V × I, pokud tranzistor není zcela zapnutý.
Co je RDS(on) v MOSFETu?
Jedná se o odpor při zapnutí mezi odtokem a zdrojem. Nižší RDS(on) znamená nižší teplo a lepší účinnost.
Může tranzistor spínat střídavé zátěže?
Ne přímo. Jeden tranzistor funguje pouze pro stejnosměrný proud. Pro střídavé zátěže se používají SCR, TRIAC nebo relé.
Proč by brána nebo základna neměly zůstat plovoucí?
Plovoucí brána nebo základna může zachytit hluk a způsobit náhodné přepínání, což vede k nestabilnímu provozu.
Jak lze hradlo MOSFET chránit před vysokým napětím?
Mezi hradlem a zdrojem použijte zenerovu diodu, abyste upnuli dodatečné napětí a zabránili poškození hradla.