harraste E L E K T R O N I I K K A

SISÄLTÖ
MILJOONALAATIKKO
Sekalaista elektroniikkaharrastajan tarvitsemaa tietoa, taulukoita, laskukaavoja, yms.
KIRPPIS
Elektroniikkaharrastajan kauppapaikka.
PIIRROSMERKIT
Elektroniikan, sähkötekniikan ja rakenussähköpiirrustusten piirrosmerkkejä.
RAKENNUSOHJEET
Kytkikset, piirilevykuvat, ja muut rakenteluohjeet pariin elektroniikkaprojektiin.
ARTIKKELIT
Elektroniikasta ja sähköstä yleensäkin, kirjoittelemiani juttuja, asiasta ja asian vierestä.
U.K.K.
Usein Kysytyt Kysymykset.
KÄRY KÄVI
Enemmän tai vähemmän hauskoja tapahtumia elävästä elämästä.
SALAISET PAHEET
Elektroniikkaharrastajan salaiset paheet... sovellettavissa omalla vastuulla.
LINKIT
Linkkejä sinne ja tänne.
PALAUTE
Näihin sivuihin liittyvä palaute, sekä elektroniikkaan liittyvät kysymykset tänne.
ETUSIVULLE

 


Poistututtaako?
Muutakin löytyy
kuin vain
elektroniikkaa.
TRANSISTORIN KÄYTTÖ KYTKIMENÄ

Transistori on kätevä kytkinkomponentti kaikenlaisissa tasasähköllä toimivissa virtapiireissä. Transistorin käyttö kytkimenä siis tarkoittaa sitä, että transistori ohjaa jotakin kuormitusta, vaikkapa merkkilamppua, päälle ja pois päältä. Jos kytkettävä virta on kovin suuri (yleensä useampia ampeereita), käytetään transistoreina yleensä FET-transistoreita. Pienemmillä virroilla useimmiten käyvät myös tavalliset bibolaariset transistorit.

Tavallisten transistoreiden lisäksi on olemassa myös erityisiä kytkintransistoreita. Tavallisetkin kuitenkin käyvät lähestulkoon aina myös kytkinkäyttöön. Erona kytkintransistoreissa tavallisiin nähden on lähinnä nopeammat avautumis ja sulkeutumis ajat. Näitä tarvitaan lähinnä hakkurisovellutuksissa, tai joissakin nopeaa toimintaa vaativissa kytkinsovelluksissa. Seuraavassa perehdymme tavallisen NPN-tyyppisen bibolaaritransistorin käyttöön kytkimenä.

Transistorin toiminta
Ensinnäkin! Jos transistori on sinulle vielä tässä vaiheessa täysin tuntematon komponentti, kannattaa käydä ensiksi Elektroniikan peruskomponentit sivulla lukemassa sieltä löytyvä transistorin yleis esittely.

NPN-transistorissa siis päävirta, eli kytkinkäyttöä ajatellen, ohjattavan laitteen toimintavirta, kulkee kollektorilta(C), emitterille(E). Ohjausvirta, jolla siis säädellään transistorin johtavuutta, kulkee kannalta(B), emitterille.

Kannan ja emitterin välille muodostuu transistorissa PN-tyyppinen rajapinta, eli toisinsanoen kanta-emitteri väli vastaa päästösuuntaista diodia. Koska kyseessä on mitä todennäköisemmin pii transistori (germanium tätänykyä erittäin harvinainen), on tämän diodirajapinnin kynnysjännite sama kuin piin kynnysjännite, eli noin 0,6 volttia. Kanta-emitterijännite(Ube) ei siis ehjässä piitransistorissa voi olla piin kynnysjännitettä suurempi.

Jännitteen ollessa piin kynnysjännitettä pienempi, ei transistorin sisään muodostuva diodirajapinta muutu johtavaksi. Tällöin ei myöskään transistorin kollektori-emitteri väli johda. Kannan jännitteen noustessa yli 0,6 voltin, alkaa diodirajapinta johtamaan, ja tällöin alkaa virtaa kulkemaan myös kollektorilta emitterille.

Eräs tärkeä suure transistoreissa on myös tasavirtavahvistuskerroin, eli hFE. Tämä kerroin ilmaisee kantavirran(Ib) ja kollektorivirran(Ic) välisen suhteen seuraavasti.

Ic = Ib * hFE      Ib = Ic / hFE     hFE = Ic / Ib

Transistorin toimintatilat
Transistorilla on kolme erilaista toimintatilaa. Sulkutilassa Ube jännite on nolla tai ainakin alle 0,6 volttia. Kantavirtaa Ib ei kulje, eikä näinollen myöskään kollektorivirtaa Ic. Transistori ei siis johda, eli tätä tilaa voisi verrata avoinna olevaan kytkineen.

Kyllästystilassa Ube jännite on piin kynnysjännitteen suuruinen, eli noin 0,6 volttia. Kantavirta Ib kulkee. Transistori on täysin johtavassa tilassa, eli sitä voisi verrata suljettuna olevaan kytkimeen. Kantavirta on kyllästystilassa vähintään Ic / hFE suuruinen, mutta on yleensä jonkin verran tätä suurempikin. Mitoittamalla kantavirta tätä minimiarvoa suuremmaksi, varmistetaan se että transistori varmasti menee kyllästystilaan.

Aktiivitila on sulkutilan ja kyllästystilan välinen tila. Transistori ei ole taysin johtavassa tilassa, eikä myöskään täysin tukossa. Tällöin transistori toimii tavallaan säädettävänä vastuksena, jossa kollektorivirran suuruutta pystyy säätelemään kantavirran suuruudella. Kantajännite Ube on aktiivitilassa piin kynnysjännitteen suuruinen. Kantavirta on aina Ic / hFE, ei suurempi tai pienempi.

Erilaisissa vahvistimissa transistoria käytetään nimenomaan aktiivitilassa, jossa sillä päästään vahvistamaan analogisia signaaleita. Kytkinkäytössä, ja yleensäkkin digitaalisten signaalien siirrossa transistorista hyödynnetään sulku- ja kyllästystilat. Aktiivitila on kytkinkäytössä huono, koska tällöin transistori ei ole täysin johtavassa tilassa, vaan osa kuormitukselle tarkoitetusta jännitteestä hukkuukin transistorin kollektori-emitteri jännitteeksi(Uce). Tämä aiheuttaa tehon hukkumista transistoriin, jolloin transistori lämpenee tarpeettomasti.

Transistori kytkimenä
Viereisessä kuvassa on yksinkertaisen hämäräkytkimen kytkentäkaavio. Tarkoituksena olisi etsiä kytkentään releen(RL1) kelaa ohjaava transistori(TR1), sekä mitoittaa transistorin kantavastus(R1). Mitoitustyön lähtötietoja ei ole paljon, mutta tarpeeksi kuitenkin. Kytkennän käyttöjännite näyttäisi olevan 24Vdc, ja lisäksi kytkennässä on 12 voltin regulaattori, josta transistoria ohjaava operaatiovahvistinkin saa käyttöjännitteensä. Releestä annettakoon tietoja sen verran, että sen kyljessä on kelajännitteeksi merkitty 24Vdc, ja yleismittarilla mittaamalla sen kelan resistanssiksi on todettu 350 ohmia.

Ensiksi olisi selvitettävä, kuinka suuren virran rele tarvitsee, eli kuinka paljon virtaa transistorin pitäisi vähintään kestää. Releen kelan jännite, sekä resistanssi tunnetaan, joten virran selvittäminen käy helposti. I=U/R, eli 24V/350ohm=0,069A. Transistorin jännitteen kesto puolestaan saadaan tässä tapauksessa suoraan kytkennän käyttöjännitteestä. Transistorin ollessa sulkutilassa, pääsee 24 voltin käyttöjännite vaikuttamaan releen kelan lävitse suoraan transistorin kollektorille. Emitteri puolestaan on kytketty maihin, joten näin ollen transistorin minimi jännitesto, eli Uce, on 24V.

Varsinkin pienitehoisempien transistoreiden kyseessä ollessa näitä minimiarvoja kannattaa pyöristellä aika paljonkin ylöspäin. Tässä kyseisessä tapauksessa siis lähtisin etsiskelemään tarkoitukseen transistoria, joka kestää ainakin 40 volttia Uce jännitettä, ja jonka maksimi kollektorivirta on vähintään 200mA. Datakirjoja selailtuamme voisimme valita transistoriksi vaikkapa tyypin BC337-25, josta seuraavassa tärkeimmät arvot kytkinkäyttöä ajatellen.

BC337-25
NPN-tyyppinen piensignaalitransistori
Uce (max)45V
Ic (max)0,5A
hFE (min)100
hFE (max)250
Ptot (max)0,5W

Seuraavaksi voidaan selvittää transistorin kantavirta. Kollektorivirtahan on jo tiedossa, sekä transistorin hFE. Seuraava ongelma onkin se että näitä hFE arvoja annetaan transistorille usein kaksi, siis minimi ja maksimi arvot. Laskenta kannattaa tässä, kuten monissa muissakin tapauksissa suorittaa sillä oletuksella, että kytkentään osuva komponentti on ominaisuuksiltaan huonoin mahdollinen. hFE:n kyseessä ollessa pienempi arvo on huonompi. Kantavirran siis saamme kaavasta Ic/hFE=Ib, eli 0,069A/100=0,00069A, eli 0,69mA.

Tämä 0,69mA on siis se kantavirta, jonka hFE arvoltaan heikoin mahdollinen transistori vähintään vaatii täyden kollektorivirran saavuttaakseen. Jos täyttä kollektorivirtaa ei saavuteta, jää transistori aktiivitilaan, jossa osa kuormitukselle tarkoitetusta sähkötehosta häviääkin lämpönä transistorissa. Tämä on erittäin ei toivottu tilanne transistoreiden kytkinkäytössä.

Transistorin pysyminen kyllästystilassa, siis täysin johtavana, kannattaakin varmistaa mitoittamalla kantavirta jonkin verran suuremmaksi kuin on tuo äskeisellä laskulla saatu minimiarvo. Pienitehoisissa kytkennöissä, jollainen tämä esimerkkimmekin on, voi kantavirran huoletta mitoittaa vaikka tuplaten suuremmaksi kuin alkuperäinen arvo. Siis 0,69mA*2 tekee hieman pyöristäen 2mA. Pienillä virroilla tuo kerroin ei ole mitenkään kriittinen. 1mA todennäköisesti riittäisi, mutta varman päälle pelaten voisi tuoksi virraksi valita vaikkapa 5mA. Suuremmilla tehoilla tuon kertoimen skaala pienenee, ollen tilanteesta riippuen jotain 1,1...2 välillä.

Seuraavaksi mitoitamme vastuksen. Ensiksi tarvitsee tietää kuitenkin tietää vastuksen navoille jäävä jännite, eli vastuksen jännitehäviö. Vastuksen yläpää (kytkiksessä) näyttäisi menevän operaatiovahvistimen lähtönastaan. Operaatiovahvistin toimii tässä kytkennässä komparaattorina (lisätietoa: Operaatiovahvistimien perusteet), joten sen jännite on vaihtoehtoisesti lähellä 0 volttia (0-tila), tai lähellä käyttöjännitettä (1-tila). Ykköstilassa tämä jännite siis on lähellä 12 voltin arvoa, käytännössä ehkä noin 11,5 volttia operaatiovahvistimen sisäisien häviöiden takia.

Vastuksen alapään jännite puolestaan on virtojen kulkiessa, eli 1-tilassa, sama kuin transistorin Ube jännite, eli noin 0,6 volttia. Näin ollen saamme vastuksen jännitehäviöksi 11,5V-0,6V=10,9V. Vastuksen läpi kulkeva virta taas on sama, jonka tuossa aikaisemmin valitsimme kantavirraksi, eli 2mA. Nyt voimme ohmin lain avulla laskea vastuksen resistanssin, eli U/I=R, eli 10,9V/0,002A=5450ohm. Juuri tämän kokoista vastusta ei kuitenkaan komponenttikaupasta löydy, joten arvo on pyöristettävä lähimpään vakioarvoon. Mikäli suurempi arvo on kovin lähellä, voi arvon pyöristää suuremmaksi, mutta muuten arvo kannattaa tässä tapauksessa pyöristää pienempään arvoon. Vastusarvon suurentaminen näet pienentää kantavirtaa, ja tämä saattaa tarkassa mitoituksessa aiheuttaa transistorin jäämisen aktiivitilaan. Sopiva arvo vastukselle siis voisi olla 4700ohmia.

Nyt voimme vielä tarvittaessa varmistaa mitoituksen oikeellisuuden laskemalla valitun vastusarvon mukaan määräytyvän kantavirran. Siis ohminlakia hyödyntäen. U/R=I, eli 10,9V/4700ohm=0,0023A, eli 2,3mA. Virta on siis sopivissa rajoissa, eli tältä osin mitoitus on kunnossa. Sitten vielä on selvitettävä vastuksessa häviävä teho. U*I=P, eli 10,9V*0,0023A=0,025W. Tavallinen 0,25 watin hiilikalvovastus siis riittää tarkoitukseen erittäin hyvin.

Mitoitus on suoritettu. Valittu transistori on siis BC337, ja valittu vastus 4,7kohm 0,25W.

Darlington, ja muut kytkentätavat
Toisinaan, varsinkin suurempia virtoja ohjattaessa voi tulla vastaan tilanne jossa transistorin tasavirtavahvistuskerroin ei enää tilanteeseen riitä. Jos halutaan ohjata vaikkapa 10 ampeerin virtaa, ja käyttöön valitun tehotransistorin tasavirtavahvistuskerroin on 20, tulee transistorin kantavirraksi tällöin 500mA. Tämä voi monissa tapauksissa olla aivan liikaa transistoria ohjaavalle piirille.

Fetit tavallisien bibolaaritransistoreiden korvaajana ovat monessa tilanteessa kätevä ratkaisu. Fettejä ohjataan jännitteellä, joten niiden tarvitsema ohjausvirta on mitättömän pieni.

Tilanteeseen on kuitenkin olemassa ratkaisu bibolaaritransistoreitakin käytettäessä. Darlingtonkytkennässä voidaan kaksi tai jopa useampia transistoreita kytkeä peräkkäin, siten että tasavirtavahvistuskertoimeksi saadaan käytettyjen transistoreiden kertoimien tulo. Jos siis kuormaa ohjaavan tehotransistorin kerroin on 20 ja tehotransistoria ohjaavan aputransistorin kerroin on 100, tulee tämän darlingtonkytkennän yhteiseksi kertoimeksi 2000.

Oheinen kuva selventänee kytkennän periaatetta. Kuvassa A on esitetty kahden NPN transistorin muodostama darlingtonkytkentä, johon on lisäksi merkattu edellä kuvatun esimerkin vahvistuskertoimet ja virrat. Jos kerrointa tarvitsee edelleen kasvattaa, voidaan kytkentään lisätä kolmas transistori. Kuva B esittää tällaista kytkentää. Darlingtonkytkentä voidaan NPN transistoreiden sijaan tehdä myös PNP transistoreilla. Kytkentä muuttuu tällöin kuvan C mukaiseksi.

Puhdas darlingtonkytkentä muodostuu joko NPN tai PNP transistoreista, mutta myös näiden yhdistelmillä voidaan toteutuutta erilaisia darlingtonin kaltaisia kytkentöjä. Kuva D esittää yhtä tällaista kytkentävaihtoehtoa, jossa PNP transistoria ohjataan NPN transistorilla. Etuna tällaisissa kytkennöissä on lähinnä puhdasta darlingtonkytkentää pienempi kynnysjännite. Tavanomaisessa darlingtonissahan, esim. Kuvassa A, tulee kytkennän kynnysjännitteeksi B-E väliltä mitattuna 1,2 volttia, koska molempien tarnsistoreiden B-E rajapinnat tulevat kytkennässä sarjaan. Kuvassa D taas tulee kytkennän B-E välille vain aputransistorin B-E rajapinta.

Darlingtonkytkentää ei välttämättä aina tarvitse rakentaa kahdesta erillisestä transistorista. Myös valmiita darlingtontransistoreita löytyy. Näissä on kaksi transistoria rakennettu ja valmiiksi kytketty tavallisen transistorikotelon sisään. Transistorien datakirjoihin ja datalehtiin tämä on merkitty darlington sanalla, "darl." lyhenteellä, tai pelkällä D kirjaimella. Myös tavallista transistoria huomattavasti korkeampi tasavirtavahvistuskerroin kielii transistorin olevan darlington. Kerroin on tyypillisesti vähintään 700, enimmillään pari tuhatta.

Tulostuskelpoinen sivu

harraste ELEKTRONIIKKA - ©Kari Huhtama, Iittala