מעגלי מיתוג טרנזיסטור: מדריך BJT ו-MOSFET עבור ממסרים, מנועים ונורות LED

טרנזיסטור יכול לעבוד כמתג אלקטרוני לבקרת זרם במעגל. הוא משתמש באות קטן כדי להפעיל או לכבות עומסים גדולים יותר, מה שהופך אותו לשימושי במערכות אלקטרוניות רבות. מאמר זה מסביר כיצד טרנזיסטורי BJT ו-MOSFET משמשים במיתוג, כולל בקרה צד-נמוך וצד-גבוה, נגדי בסיס ושער, הגנת עומס אינדוקטיבי וממשק מיקרו-בקר בפירוט.

ג1. סקירה כללית של מיתוג טרנזיסטור

ג2. מצבי מיתוג טרנזיסטור

ג3. יישומי טרנזיסטור במעגלי מיתוג

ג4. טרנזיסטור NPN כמתג

ג5. טרנזיסטור PNP כמתג

ג6. נגד בסיס במיתוג BJT

ג7. מיתוג MOSFET בבקרה ברמת הלוגיקה

ג8. מיתוג צד-נמוך וצד-גבוה

ג9. הגנת מיתוג עומס אינדוקטיבי

ג10. ממשק מיקרו-בקר עם מיתוג טרנזיסטור

ג11. מסקנה

ג12. שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

Figure 1 Transistor as a Switch

סקירה כללית של מיתוג טרנזיסטור

טרנזיסטור הוא מכשיר מוליכים למחצה שיכול לתפקד כמתג אלקטרוני לשליטה בזרימת הזרם במעגל. בניגוד למתגים מכניים הפותחים או סוגרים נתיב פיזית, טרנזיסטור מבצע מיתוג אלקטרוני באמצעות אות בקרה המופעל על הבסיס (BJT) או השער (FET) שלו. ביישומי מיתוג, הטרנזיסטור פועל רק בשני אזורים עיקריים: אזור הניתוק (מצב OFF), שבו אין זרימת זרם והטרנזיסטור מתנהג כמו מתג פתוח, ואזור הרוויה (מצב ON), שבו זרם מקסימלי זורם עם ירידת מתח מינימלית על פניו, ופועל כמו מתג סגור.

מצבי מיתוג טרנזיסטור

אזור	החלף מצב	תיאור	שימוש במיתוג
חתך	כבוי	אין זרימות זרם (מעגל פתוח)	משומש
פעיל	ליניארי	הולכה חלקית	הימנע (מגברים)
רוויה	מופעל	זרימות זרם מקסימליות (נתיב סגור)	משומש

יישומי טרנזיסטור במעגלי מיתוג

בקרת ממסר וסולנואיד

טרנזיסטורים מניעים ממסרים וסולנואידים על ידי אספקת זרם הסליל הנדרש שמיקרו-בקרים אינם יכולים לספק ישירות. דיודת Flyback משמשת להגנה מפני קפיצות מתח.

החלפת לד ומנורה

טרנזיסטורים מחליפים נורות LED ומנורות קטנות תוך שימוש באותות בקרה נמוכים תוך הגנה על מעגל הבקרה מפני זרם עודף. הם משמשים במחוונים, תצוגות ובקרת תאורה.

נהגים מוטוריים

טרנזיסטורים מניעים מנועי DC על ידי פעולה כמתגים בעלי זרם גבוה. רכיבי BJT או MOSFET להספק משמשים עבור בקרה אמינה ברובוטיקה, מאווררים, משאבות ומערכות אוטומציה.

מעגלי ניהול חשמל

טרנזיסטורים משמשים במיתוג חשמל אלקטרוני, הגנה וויסות. הם מופיעים במטעני סוללות, ממירי DC ומעגלי בקרת הספק אוטומטיים.

ממשקי מיקרו-בקר

טרנזיסטורים ממשקים מיקרו-בקרים עם עומסים בהספק גבוה. הם מגבירים אותות לוגיים חלשים ומאפשרים בקרה על ממסרים, מנועים, זמזמים ונורות LED עם זרם גבוה.

טרנזיסטור NPN כמתג

Figure 2 NPN Transistor as a Switch

טרנזיסטור NPN יכול לשמש כמתג אלקטרוני לבקרת עומסים כמו נורות LED, ממסרים ומנועים קטנים באמצעות אות בהספק נמוך מהתקנים כגון חיישנים או מיקרו-בקרים. כאשר הטרנזיסטור פועל כמתג, הוא פועל בשני אזורים: ניתוק (מצב OFF) ורוויה (מצב ON). באזור הניתוק לא זורם זרם בסיס, והטרנזיסטור חוסם את הזרם בצד הקולט, כך שהעומס נשאר כבוי. באזור הרוויה, מספיק זרם בסיס זורם כדי להפעיל את הטרנזיסטור במלואו, מה שמאפשר לזרם לעבור מהאספן לפולט ולהפעיל את העומס.

כדי להשתמש בטרנזיסטור NPN כמתג, נדרש נגד בסיס (RB) כדי להגביל את הזרם הנכנס לבסיס. זרם הבסיס מחושב באמצעות:

כאשר IC הוא הזרם דרך העומס, ו-βforce הוא ערך רווח מופחת המשמש למיתוג בטוח, β/10. לאחר מכן מחושב נגד הבסיס באמצעות:

כאשר VIN הוא מתח הבקרה ו-VBE הוא מתח פולט הבסיס (כ-0.7V עבור טרנזיסטורי סיליקון). נוסחאות אלו עוזרות להבטיח שהטרנזיסטור יקבל מספיק זרם בסיס כדי לעבור כראוי מבלי להינזק.

טרנזיסטור PNP כמתג

Figure 3 PNP Transistor as a Switch

טרנזיסטור PNP יכול לשמש גם כמתג, אך הוא מיושם במיתוג צד גבוה, שבו העומס מחובר לאדמה והטרנזיסטור שולט בחיבור למתח האספקה החיובי. בתצורה זו, הפולט של טרנזיסטור ה- PNP מחובר ל- +VCC, הקולט מחובר לעומס והעומס מתחבר לאדמה. הטרנזיסטור נדלק כאשר הבסיס נמשך נמוך (מתחת למתח הפולט), והוא נכבה כאשר הבסיס נמשך גבוה (קרוב ל-+VCC). זה הופך את טרנזיסטורי PNP למתאימים למעגלי מיתוג שבהם יש לחבר את העומס ישירות למסילה החיובית, כגון במערכות חיווט וחלוקת חשמל בכלי-רכב.

כדי להגביל את הזרם הזורם לבסיס, נדרש נגד בסיס (RB). זרם הבסיס מחושב באמצעות:

כאשר IC הוא זרם הקולט ו-βמאולץ נלקח כעשירית מהרווח האופייני של הטרנזיסטור למיתוג אמין. לאחר מכן מחושב הערך של נגד הבסיס באמצעות:

בטרנזיסטורי PNP, VBE הוא בערך -0.7V כאשר הוא מוטה קדימה. יש למשוך את אות הבקרה נמוך מספיק כדי להטות קדימה את צומת פולט הבסיס ולהפעיל את הטרנזיסטור.

נגד בסיס במיתוג BJT

Figure 4 Base Resistor in BJT Switching

בעת שימוש בטרנזיסטור BJT כמתג, נדרש נגד בסיס (RB) כדי לשלוט בזרם הנכנס למסוף הבסיס. הנגד מגן על הטרנזיסטור ועל מקור הבקרה, כגון פין מיקרו-בקר, מפני זרם רב מדי. ללא נגד זה, צומת הבסיס-פולט עלול למשוך זרם מוגזם ולפגוע בטרנזיסטור. נגד הבסיס גם מבטיח שהטרנזיסטור עובר כראוי בין מצבי OFF ו-ON.

כדי להפעיל את הטרנזיסטור במלואו (מצב רוויה), יש לספק מספיק זרם בסיס. ה-IB הנוכחי הבסיסי מחושב באמצעות ה-IC של זרם האספן וערך רווח בטוח הנקרא בטא מאולצת:

במקום להשתמש ברווח הרגיל של הטרנזיסטור (בטא), נעשה שימוש בערך נמוך יותר הנקרא בטא מאולצת לבטיחות:

לאחר חישוב זרם הבסיס, ערך הנגד הבסיסי נמצא באמצעות חוק אוהם:

כאן, VIN הוא מתח הבקרה, ו-VBE הוא מתח הפולט הבסיסי, בסביבות 0.7V עבור BJT סיליקון.

מיתוג MOSFET בבקרה ברמת הלוגיקה

Figure 5 MOSFET Switching in Logic-Level Control

רכיבי MOSFET משמשים כמתגים אלקטרוניים במעגלים מודרניים מכיוון שהם מציעים נצילות גבוהה יותר ואובדן הספק נמוך יותר בהשוואה ל-BJT. MOSFET פועל על ידי הפעלת מתח על מסוף השער שלו, השולט בזרימת הזרם בין הניקוז למקור. בניגוד לרכיבי BJT הדורשים זרם בסיס רציף, רכיבי MOSFET הם מונעי מתח וכמעט ואינם שואבים זרם בשער, מה שהופך אותם למתאימים עבור מערכות מוזנות-סוללות ומבוססות מיקרו-בקר.

רכיבי MOSFET מועדפים עבור יישומי מיתוג מכיוון שהם תומכים במהירויות מיתוג גבוהות יותר, טיפול בזרם גבוה יותר והתנגדות מצב-מופעל נמוכה ביותר RDS(on), מה שממזער את אובדן החימום והאנרגיה. הם נמצאים בשימוש נפוץ בדרייברים מנועים, פסי LED, ממסרים, ממירי כוח ומערכות אוטומציה. רכיבי MOSFET ברמת הלוגיקה מתוכננים במיוחד להפעלה מלאה במתחי שער נמוכים, V 5 או V 3.3, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור ממשק ישיר עם מיקרו-בקרים כגון Arduino, ESP32 ו- Raspberry Pi ללא צורך במעגל דוחף שער.

רכיבי MOSFET נפוצים ברמת הלוגיקה כוללים:

• IRLZ44N - מתאים למיתוג עומסים בעלי הספק גבוה כגון מנועי DC, ממסרים ופסי LED.

• AO3400 - SMD MOSFET קומפקטי המתאים ליישומי מיתוג דיגיטלי בהספק נמוך.

• IRLZ34N - משמש לעומסי זרם בינוני עד גבוה ברובוטיקה ואוטומציה.

מיתוג צד נמוך וצד-גבוה

מיתוג צד נמוך

Figure 6 Low-Side Switching

במיתוג צד נמוך, הטרנזיסטור ממוקם בין העומס לאדמה. כאשר הטרנזיסטור מופעל, הוא משלים את הדרך לאדמה ומאפשר לזרם לזרום דרך העומס. שיטה זו פשוטה וקלה לשימוש, ולכן היא נפוצה במעגלים דיגיטליים ומבוססי מיקרו-בקר. מיתוג צד-נמוך נעשה באמצעות טרנזיסטורי NPN או MOSFET תעלת-N מכיוון שהם קלים לדחיפה עם אות בקרה המתייחס להארקה. שיטה זו משמשת למשימות כמו החלפת נוריות LED, ממסרים ומנועים קטנים.

מיתוג צד גבוה

Figure 7 High-Side Switching

במיתוג צד גבוה, הטרנזיסטור ממוקם בין ספק הכוח לעומס. כאשר הטרנזיסטור נדלק, הוא מחבר את העומס לאספקת המתח החיובי. שיטה זו משמשת כאשר העומס חייב להישאר מחובר לקרקע מטעמי בטיחות או ייחוס אותות. מיתוג צד-גבוה נעשה באמצעות טרנזיסטורי PNP או טרנזיסטורי MOSFET תעלת-P. עם זאת, מעט יותר קשה לשלוט בו מכיוון שהבסיס או השער חייבים להיות דוחפים למתח נמוך יותר מהספקת-הכוח כדי להפעילו. מיתוג צד-גבוה נמצא בשימוש נפוץ במעגלי כלי-רכב, מערכות מוזנות-סוללות ויישומי בקרת הספק.

הגנת מיתוג עומס אינדוקטיבי

Figure 8 Inductive Load Switching Protection

כאשר טרנזיסטור משמש לבקרת עומסים אינדוקטיביים כמו מנועים, ממסרים, סולנואידים או סלילים, הוא זקוק להגנה מפני קפיצות מתח. עומסים אלה בונים אנרגיה בשדה מגנטי בזמן שהזרם זורם דרכם. ברגע שהטרנזיסטור נכבה, השדה המגנטי קורס ומשחרר את האנרגיה הזו כעלייה פתאומית במתח גבוה. ללא הגנה, ספייק זה עלול לפגוע בטרנזיסטור ולהשפיע על המעגל כולו.

כדי למנוע זאת, רכיבי הגנה מתווספים על פני העומס. הנפוצה ביותר היא דיודת Flyback, כגון 1N4007, המחוברת הפוך על פני הסליל. דיודה זו מעניקה לזרם נתיב בטוח לזרום כאשר הטרנזיסטור נכבה, ועוצרת את עליית המתח. במעגלים בהם יש לשלוט ברעש חשמלי, נעשה שימוש בסנובר RC (נגד וקבל בסדרה) להפחתת פולסים חדים. עבור מעגלים העוסקים במתחים גבוהים יותר, דיודת TVS (דיכוי מתח חולף) משמשת להגבלת קוצים מסוכנים והגנה על חלקים אלקטרוניים.

ממשק מיקרו-בקר עם מיתוג טרנזיסטור

מיקרו-בקרים כמו Arduino, ESP32 ו-STM32 יכולים לספק רק זרם יציאה קטן מפיני ה-GPIO שלהם. זרם זה מוגבל לסביבות 20-40 mA, וזה לא מספיק כדי להזין התקנים כמו מנועים, ממסרים, סולנואידים או נורות LED בהספק גבוה. כדי לשלוט בעומסי זרם גבוהים אלה, משתמשים בטרנזיסטור בין המיקרו-בקר לעומס. הטרנזיסטור פועל כמתג אלקטרוני המאפשר לאות קטן מהמיקרו-בקר לשלוט בזרם גדול יותר ממקור כוח חיצוני.

בעת בחירת טרנזיסטור, ודא שהוא יכול להידלק במלואו עם מתח המוצא של המיקרו-בקר. רכיבי MOSFET ברמת הלוגיקה הם בחירה טובה עבור עומסים גדולים יותר מכיוון שיש להם התנגדות מצב-מופעל נמוכה ונשארים קרירים במהלך הפעולה. BJTs כמו ה-2N2222 מתאימים לעומסים קטנים יותר.

מיקרו-בקר	מתח יציאה	טרנזיסטור מומלץ
Arduino UNO	מניית 5V	2N2222 (BJT) או IRLZ44N (N-MOSFET)
ESP32	3.3 וולט	AO3400 (N-MOSFET)
מניית STM32	3.3 וולט	IRLZ34N (N-MOSFET)

סיכום

טרנזיסטורים הם מתגים אלקטרוניים אמינים המשמשים לשליטה בנורות LED, ממסרים, מנועים ומעגלי חשמל. על ידי שימוש בבסיס או נגד השער הנכון, הוספת הגנת Flyback עבור עומסים אינדוקטיביים ובחירת שיטת המיתוג הנכונה, המעגלים הופכים לבטוחים ויעילים. הבנת מיתוג הטרנזיסטור מסייעת בתכנון מערכות אלקטרוניות יציבות עם בקרה והגנה נאותים.