LED mit einem Transistor schalten

Die Antworten hier bereits beschreiben das Verhalten, das Sie gesehen haben, beleuchten aber vielleicht nicht die "konventionelle" Vorgehensweise.

Das Schlüsselverhalten eines bipolaren Transistors (im Gegensatz zu FET), wie er hier verdrahtet ist (gemeinsamer Emitter), besteht darin, dass der Transistor versucht, eine Strommenge in den Kollektor zu ziehen, die Hfe (dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors, manchmal als Beta bezeichnet) entspricht der Strom in die Basis. Hfe ist eine mehr oder weniger konstante Zahl im Bereich von 25 bis 100 oder mehr. Mit diesem Verhalten ist der Transistor zum Verstärken ("Multiplizieren") von analogen Signalen wie Audio nützlich.

Oft wollen wir aber nur einen Strom ein- oder ausschalten, wie bei einer LED. In diesem Fall möchten wir, dass der Transistor entweder ausgeschaltet (kein Strom leitend) oder vollständig eingeschaltet ist (maximaler Strom, gegebener Vorwiderstand und Gesamtversorgungsspannung). Um diesen Zustand zu erreichen, müssen wir nur einen ausreichend großen Basisstrom anlegen Um Hfe X Ib in den Kollektor zu ziehen, würde der Transistor versuchen, die Kollektorspannung unter das mögliche Minimum zu setzen, was etwa Vemitter + 0,2 (in Ihrem Beispiel also 0,2 V) entspricht. Wenn sich der Transistor in diesem Zustand befindet, wird er als gesättigt bezeichnet.

Eine Schaltung ist normalerweise so ausgelegt, dass sie jeden Transistor nur in einem dieser Modi verwendet, entweder verstärkend oder schaltend, wobei umgebende Komponenten ausgewählt werden, um diesen Modus sicherzustellen, und sich auf die Einzelheiten dieses Modus zu konzentrieren. In einer Schaltung wie Ihrer würde ein Designer also schnell den erforderlichen LED- (und damit Kollektor-) Strom berechnen, durch eine niedrige Schätzung für das Transistor-Beta (z. B. 40) dividieren, den minimal erforderlichen Basisstrom ermitteln und arrangieren der Basiswiderstand, um das oder mehr zu liefern.

Der genaue Basisstrom ist nicht wichtig, aber wir müssen sicherstellen, dass der Transistor im eingeschalteten Zustand gesättigt ist, denn wenn dies nicht der Fall ist, sinkt der Kollektor nicht auf seine niedrigste Spannung, was eine höhere Kollektor-Emitter-Spannung ermöglicht. Obwohl der Strom etwas geringer sein wird, wird die Spannung am Transistor wesentlich höher sein, was erfordert, dass der Transistor viel mehr Wärme (V x I) als nötig abführt. Diese Hitze würde entweder einen kleinen Transistor zerstören oder einen größeren Transistor oder das Hinzufügen eines Kühlkörpers erfordern.

Ihr erster Schaltplan ist also der sinnvolle Weg, den Transistor zum Schalten einer LED zu verwenden. (Abgesehen von der Verschwendung einer 24-V-Versorgung, die irgendwo einen großen Spannungsabfall erfordert.)

Im zweiten Schema sind Sie auf die Verwendung des Verstärkerteils im Betriebsbereich des Transistors gestoßen. Wie bereits erwähnt, ist dies für den Transistor wärmetechnisch nachteilig, wenn er tatsächlich funktioniert. Es wird jedoch nicht zufriedenstellend funktionieren, da, wie andere bereits erwähnt haben, der Hfe-Wert von einem Transistor zum nächsten und auch mit Wärme ziemlich unterschiedlich ist. Sie könnten also sowieso keinen genauen stabilen LED-Strom einstellen.

(Um einen tatsächlichen Verstärker mit einem konsistenten und stabilen Verstärkungsfaktor zu schaffen, sind zusätzliche Widerstände und Kondensatoren erforderlich, um den Effekt der Hfe-Variation zu berücksichtigen.)

Sie vernachlässigen den Stromverstärkungseffekt des Transistors. Der maximal zulässige Kollektorstrom (bis zu einem Punkt, der als "Sättigung" bezeichnet wird) ist gleich dem Basisstrom mal der Stromverstärkung des Transistors, die mit "h _fe " bezeichnet wird. Durch Begrenzen des Stroms in die Basis kann man den Strom in den Kollektor und damit in die LED begrenzen.

Beachten Sie, dass h _fe von mehreren Faktoren abhängt und daher nicht als Sicherheitsmechanismus verwendet werden sollte, um zu verhindern, dass die LED durchbrennt. Behalten Sie den Vorwiderstand bei.

Beachten Sie auch, dass das "Schalten" mit einem Transistor darin besteht, ihn in die Sättigung zu treiben, sodass der zweite Stromkreis technisch gesehen nicht einmal schaltet.

Im ersten Fall ist der Transistor anscheinend gesättigt, es liegen also etwa 0,2 Volt an ihm an. Es verbraucht also 0,6 Watt. Der Widerstand verbraucht jedoch 6 Watt! Der Betrieb einer 4-Volt-LED mit 24 Volt ist höchst ineffizient.

Im zweiten Fall hat der Transistor ~ 20 Volt und verbraucht ungefähr 6 Watt. Der tatsächliche Kollektorstrom des Transistors hängt jedoch von seiner Stromverstärkung ab - die ziemlich variabel ist, sodass die Schaltung instabil ist - jede Änderung der Transistorverstärkung führt zu einer Änderung des Kollektorstroms und möglicherweise zur Zerstörung der LED.

Ihre erste Schaltung kann auch instabil sein, wenn Sie einen Widerstand auswählen, der gerade ausreicht, damit der Simulator sagen kann, dass der Transistor gesättigt ist. Wenn Sie einen gesättigten Transistor verwenden, sollten Sie über ausreichend Basisstrom verfügen, um sicherzustellen, dass der Transistor über seinen möglichen Bereich von Stromverstärkungen gesättigt bleibt.