Transistorschakeling voor relais, motoren en LED's

Een transistor kan werken als een elektronische schakelaar om de stroom in een circuit te regelen. Het gebruikt een klein signaal om grotere belastingen AAN of UIT te zetten, waardoor het nuttig is in veel elektronische systemen. In dit artikel wordt in detail uitgelegd hoe BJT- en MOSFET-transistors worden gebruikt bij het schakelen, inclusief low-side en high-side besturing, basis- en poortweerstanden, inductieve belastingsbeveiliging en microcontroller-interface.

Overzicht transistorschakeling

Een transistor is een halfgeleiderapparaat dat kan functioneren als een elektronische schakelaar om de stroom in een circuit te regelen. In tegenstelling tot mechanische schakelaars die een pad fysiek openen of sluiten, schakelt een transistor elektronisch uit met behulp van een stuursignaal dat wordt toegepast op de basis (BJT) of poort (FET). In schakelende toepassingen werkt de transistor slechts in twee hoofdregio's: het afgesneden gebied (UIT-toestand), waar er geen stroom is en de transistor zich gedraagt als een open schakelaar, en het verzadigingsgebied (AAN-toestand), waar maximale stroom vloeit met minimale spanningsval eroverheen, die werkt als een gesloten schakelaar.

Transistor schakelende toestanden

Transistortoepassingen in schakelcircuits

Relais en solenoïde controle

Transistors drijven relais en solenoïdes aan door de vereiste spoelstroom te leveren die microcontrollers niet rechtstreeks kunnen leveren. Een flyback-diode wordt gebruikt voor bescherming tegen spanningspieken.

LED- en lampschakeling

Transistors schakelen LED's en kleine lampen met lage stuursignalen en beschermen het stuurcircuit tegen overtollige stroom. Ze worden gebruikt in indicatoren, displays en lichtregeling.

Motorrijders

Transistors drijven gelijkstroommotoren aan door te fungeren als schakelaars met hoge stroom. Krachtige BJT's of MOSFET's worden gebruikt voor betrouwbare besturing in robotica, ventilatoren, pompen en automatiseringssystemen.

Circuits voor energiebeheer

Transistors worden gebruikt bij elektronische stroomschakeling, beveiliging en regeling. Ze verschijnen in batterijladers, DC-converters en automatische stroomregelcircuits.

Microcontroller-interfaces

Transistors werken samen met microcontrollers met een hoog vermogen. Ze versterken zwakke logische signalen en maken de besturing van relais, motoren, zoemers en high-current LED's mogelijk.

NPN-transistor als schakelaar

Een NPN-transistor kan worden gebruikt als een elektronische schakelaar om belastingen zoals LED's, relais en kleine motoren te regelen met behulp van een signaal met een laag vermogen van apparaten zoals sensoren of microcontrollers. Wanneer de transistor als een schakelaar werkt, werkt deze in twee regio's: cut-off (UIT-status) en verzadiging (AAN-status). In het afsnijgebied vloeit geen basisstroom en blokkeert de transistor de stroom aan de collectorzijde, zodat de belasting UIT blijft. In het verzadigingsgebied vloeit voldoende basisstroom om de transistor volledig AAN te zetten, waardoor er stroom van de collector naar de zender kan gaan en de belasting van stroom kan voorzien.

Om een NPN-transistor als schakelaar te gebruiken, is een basisweerstand (RB) nodig om de stroom die naar de basis gaat te beperken. De basisstroom wordt berekend aan de hand van:

waarbij IC de stroom door de belasting is en βforced een gereduceerde versterkingswaarde is die wordt gebruikt voor veilig schakelen, β/10. De basisweerstand wordt vervolgens berekend met behulp van:

waarbij VIN de stuurspanning is en VBE de basisemitterspanning (ongeveer 0,7 V voor siliciumtransistors). Deze formules helpen ervoor te zorgen dat de transistor voldoende basisstroom krijgt om goed te schakelen zonder beschadigd te raken.

PNP-transistor als schakelaar

Een PNP-transistor kan ook als schakelaar worden gebruikt, maar wordt toegepast bij high-side schakelen, waarbij de belasting wordt aangesloten op massa en de transistor de aansluiting op de positieve voedingsspanning regelt. In deze configuratie is de zender van de PNP-transistor aangesloten op +VCC, de collector is aangesloten op de belasting en de belasting is aangesloten op aarde. De transistor wordt ingeschakeld wanneer de basis laag wordt getrokken (onder de emitterspanning) en wordt uitgeschakeld wanneer de basis hoog wordt getrokken (dicht bij +VCC). Dit maakt PNP-transistors geschikt voor schakelcircuits waarbij de belasting rechtstreeks op de positieve rail moet worden aangesloten, zoals in autobedrading en stroomdistributiesystemen.

Om de stroom die naar de basis vloeit te beperken, is een basisweerstand (RB) vereist. De basisstroom wordt berekend aan de hand van:

waarbij IC de collectorstroom is en βforced wordt genomen als een tiende van de typische versterking van de transistor voor betrouwbaar schakelen. De waarde van de basisweerstand wordt vervolgens berekend met behulp van:

In PNP-transistors is VBE ongeveer -0,7 V wanneer voorwaarts vooropgesteld. Het stuursignaal moet laag genoeg worden getrokken om de basis-emitterovergang naar voren te schuiven en de transistor AAN te zetten.

Basisweerstand in BJT-omschakeling

Bij gebruik van een BJT-transistor als schakelaar is een basisweerstand (RB) nodig om de stroom naar de basisklem te regelen. De weerstand beschermt de transistor en de besturingsbron, zoals een microcontrollerpen, tegen te veel stroom. Zonder deze weerstand zou de basis-emitterovergang te veel stroom kunnen trekken en de transistor kunnen beschadigen. De basisweerstand zorgt er ook voor dat de transistor goed schakelt tussen UIT- en AAN-toestanden.

Om de transistor volledig AAN te zetten (verzadigingsmodus), moet er voldoende basisstroom worden geleverd. De basisstroom IB wordt berekend met behulp van het collectorstroom-IC en een veilige versterkingswaarde die geforceerde bèta wordt genoemd:

In plaats van de normale versterking (bèta) van de transistor te gebruiken, wordt voor de veiligheid een lagere waarde gebruikt, geforceerde bèta genaamd:

Na het berekenen van de basisstroom wordt de waarde van de basisweerstand gevonden met behulp van de wet van Ohm:

Hier is VIN de stuurspanning en VBE de basiszenderspanning, ongeveer 0,7 V voor silicium BJT's.

MOSFET-omschakeling in logische niveauregeling

MOSFET's worden gebruikt als elektronische schakelaars in moderne circuits omdat ze een hogere efficiëntie en een lager vermogensverlies bieden in vergelijking met BJT's. Een MOSFET werkt door een spanning aan te leggen op de poortklem, die de stroomtoevoer tussen de afvoer en de bron regelt. In tegenstelling tot BJT's die continue basisstroom vereisen, zijn MOSFET's spanningsgestuurd en trekken ze bijna geen stroom aan de poort, waardoor ze geschikt zijn voor batterijgevoede en microcontroller-gebaseerde systemen.

MOSFET's hebben de voorkeur voor schakeltoepassingen omdat ze hogere schakelsnelheden, hogere stroomverwerking en een zeer lage AAN-weerstand RDS(on) ondersteunen, waardoor verwarming en energieverlies tot een minimum worden beperkt. Ze worden vaak gebruikt in motordrivers, LED-strips, relais, stroomomvormers en automatiseringssystemen. MOSFET's op logisch niveau zijn speciaal ontworpen om volledig AAN te zetten bij lage gate-spanningen, 5V of 3,3V, waardoor ze ideaal zijn voor directe interface met microcontrollers zoals Arduino, ESP32 en Raspberry Pi zonder dat er een gate-drivercircuit nodig is.

Veelgebruikte MOSFET's op logisch niveau zijn onder meer:

• IRLZ44N – geschikt voor het schakelen van belastingen met een hoog vermogen, zoals DC-motoren, relais en LED-strips.

• AO3400 – compacte SMD MOSFET geschikt voor digitale schakeltoepassingen met een laag vermogen.

• IRLZ34N – gebruikt voor gemiddelde tot hoge stroombelastingen in robotica en automatisering.

Low-side en high-side schakelen

Schakelen aan de lage kant

Bij low-side schakeling wordt de transistor tussen de belasting en de massa geplaatst. Wanneer de transistor wordt ingeschakeld, voltooit deze het pad naar aarde en laat hij stroom door de belasting vloeien. Deze methode is eenvoudig en gemakkelijk te gebruiken en daarom is het gebruikelijk in digitale en op microcontrollers gebaseerde schakelingen. Low-side schakelen wordt gedaan met behulp van NPN-transistors of N-kanaal MOSFET's, omdat ze gemakkelijk aan te sturen zijn met een stuursignaal dat naar massa verwijst. Deze methode wordt gebruikt voor taken zoals het schakelen van LED's, relais en kleine motoren.

Schakelen aan de hoge kant

Bij high-side switching wordt de transistor tussen de voeding en de belasting geplaatst. Wanneer de transistor wordt ingeschakeld, wordt de belasting aangesloten op de positieve spanning. Deze methode wordt gebruikt wanneer de last om veiligheids- of signaalreferentieredenen verbonden moet blijven met aarde. High-side switching gebeurt met behulp van PNP-transistors of P-channel MOSFET's. Het is echter iets moeilijker te regelen omdat de basis of poort naar een lagere spanning moet worden gedreven dan de voeding om deze AAN te zetten. High-side schakelen wordt vaak gebruikt in autocircuits, batterijgevoede systemen en toepassingen voor stroomregeling.

Bescherming tegen inductieve belastingsschakeling

Wanneer een transistor wordt gebruikt om inductieve belastingen zoals motoren, relais, solenoïdes of spoelen aan te sturen, heeft deze bescherming nodig tegen spanningspieken. Deze belastingen bouwen energie op in een magnetisch veld terwijl er stroom doorheen stroomt. Op het moment dat de transistor uitschakelt, stort het magnetische veld in en geeft die energie vrij als een plotselinge hoogspanningspiek. Zonder bescherming kan deze piek de transistor beschadigen en het hele circuit aantasten.

Om dit te voorkomen, worden beveiligingscomponenten over de belasting toegevoegd. De meest voorkomende is een flyback-diode, zoals 1N4007, die omgekeerd over de spoel is aangesloten. Deze diode geeft de stroom een veilig pad om te stromen wanneer de transistor UIT gaat en de spanningspiek stopt. In circuits waar elektrische ruis moet worden geregeld, wordt een RC-snubber (een weerstand en condensator in serie) gebruikt om scherpe pulsen te verminderen. Voor circuits die te maken hebben met hogere spanningen, wordt een TVS-diode (Transient Voltage Suppression) gebruikt om gevaarlijke pieken te beperken en elektronische onderdelen te beschermen.

Microcontroller-interface met transistorschakeling

Microcontrollers zoals Arduino, ESP32 en STM32 kunnen slechts een kleine uitgangsstroom leveren van hun GPIO-pinnen. Deze stroom is beperkt tot ongeveer 20-40 mA, wat niet genoeg is om apparaten zoals motoren, relais, solenoïdes of krachtige LED's van stroom te voorzien. Om deze hogere stroombelastingen te regelen, wordt een transistor gebruikt tussen de microcontroller en de belasting. De transistor werkt als een elektronische schakelaar waarmee een klein signaal van de microcontroller een grotere stroom van een externe stroombron kan regelen.

Zorg er bij het kiezen van een transistor voor dat deze volledig kan worden ingeschakeld met de uitgangsspanning van de microcontroller. MOSFET's op logisch niveau zijn een goede keuze voor grotere belastingen omdat ze een lage AAN-weerstand hebben en koel blijven tijdens het gebruik. BJT's zoals de 2N2222 zijn prima voor kleinere ladingen.

Conclusie 

Transistors zijn betrouwbare elektronische schakelaars die worden gebruikt om LED's, relais, motoren en stroomcircuits aan te sturen. Door de juiste basis- of poortweerstand te gebruiken, flyback-beveiliging voor inductieve belastingen toe te voegen en de juiste schakelmethode te kiezen, worden circuits veilig en efficiënt. Inzicht in transistorschakeling helpt bij het ontwerpen van stabiele elektronische systemen met de juiste controle en bescherming.

Veelgestelde vragen [FAQ]

Waarom kiezen voor een MOSFET in plaats van een BJT om te schakelen?

Een MOSFET schakelt sneller, heeft een lager vermogensverlies en heeft geen continue poortstroom nodig.

Wat zorgt ervoor dat een transistor oververhit raakt in schakelcircuits?

Warmte wordt veroorzaakt door vermogensverlies tijdens het schakelen, berekend als P = V × I, als de transistor niet volledig AAN staat.

Wat is RDS(on) in een MOSFET?

Het is de AAN-weerstand tussen afvoer en bron. Lagere RDS(on) betekent minder warmte en een beter rendement.

Kan een transistor wisselstroombelastingen schakelen?

Niet direct. Een enkele transistor werkt alleen voor gelijkstroom. Voor wisselstroombelastingen worden SCR's, TRIAC's of relais gebruikt.

Waarom mag de poort of basis niet blijven zweven?

Een zwevende poort of basis kan geluid opvangen en willekeurig schakelen veroorzaken, wat leidt tot een onstabiele werking.

Hoe kan een MOSFET-poort worden beschermd tegen hoogspanning?

Gebruik een zenerdiode tussen de poort en de bron om extra spanning vast te klemmen en schade aan de poort te voorkomen.