Robototexnika · Elektronika asoslari · 8-sinf

Tranzistor — kalit

Arduino pini 20 mA beradi, motorga 400 mA kerak. Kichik tok kattasini qanday boshqaradi?

Vaziyat

Robot mashinaning motori 9 V batareyadan ≈ 400 mA tok oladi. Arduino pini esa atigi 20 mA beradi (chegara 40 mA) — motorni pinga to‘g‘ridan-to‘g‘ri ulasangiz, mikrokontroller kuyadi. Kichik signal katta tokni qanday boshqaradi? Javob — tranzistor: TO-92 korpusdagi uch oyoqli «kalit». Baza rezistorini hisoblang, tranzistorni to‘yinishga olib keling, motorni aylantiring. Keyin ataylab buzing: rezistorsiz baza, 100 mA li BC547 ga 400 mA, va himoya diodisiz o‘chirilgan motor — osillogrammadagi 40 voltli «igna».

Mavzu

Tranzistor — kalit: kichik tok katta tokni boshqaradi. Arduino pinidan 20 mA chiqadi, motorga 500 mA kerak: tranzistor kalit, β va to‘yinish

Asosiy tushunchalar

NPN tranzistor
β va to‘yinish
Himoya diodi

Formulalar

I_{C} = β \cdot I_{B}

Aktiv soha: kollektor toki baza tokidan β marta katta (BC547 ≈ 200, 2N2222 ≈ 100) — tranzistor tokni kuchaytiradi.

I_{B} = \frac{U_{p i n} - U_{B E}}{R_{B}}, U_{B E} \approx 0,7 V

Baza toki: pin kuchlanishidan baza–emitter o‘tishining ≈ 0,7 V ayiriladi, qolgani baza rezistoriga tushadi.

I_{C, \max} = \frac{U - U_{C E (s a t)}}{R_{y u k}}, U_{C E (s a t)} \approx 0,1 – 0,2 V

To‘yinish: $β I_{B}$ yuk o‘tkaza oladigan tokdan katta bo‘lsa, tokni yuk belgilaydi, tranzistorda atigi 0,1–0,2 V qoladi — u yopiq kalitdek.

R_{B} \leq \frac{β (U_{p i n} - 0,7)}{k \cdot I_{C}}, k = 2 – 3

Kalit uchun $R_{B}$ ni tanlash: baza toki kerakli $I_{C} / β$ dan $k$ marta ko‘p bo‘lsin (zaxira — β nusxadan nusxaga farq qiladi).

P_{Q} = U_{C E} \cdot I_{C}

Tranzistorda ajralayotgan quvvat: to‘yinishda kichik (0,2 V · 0,4 A = 80 mVt), aktiv sohada katta — TO-92 uchun chegara ≈ 0,5 Vt.

Nazariya

Nega pin yetmaydi

Arduino pini — kuchsiz manba: ≈ 5 V va ichki ≈ 25 Ω, mutlaq chegara 40 mA, me’yor 20 mA. Kichkina motor esa 9 V da ≈ 400 mA oladi, yurgizish paytida — 1 A dan ko‘p. Motorni pinga to‘g‘ridan-to‘g‘ri ulasangiz, tok $5 / (25 + 6) \approx 160$ mA — chegaradan 4 marta ko‘p: ATmega328P qiziydi va kuyadi, motor esa qo‘zg‘almaydi ham. Pin faqat buyruq berishi kerak, tokni boshqa manba bersin.

Tranzistor: E, B, C

NPN tranzistor — uch qatlamli yarimo‘tkazgich kristall, uch oyoq: emitter (E), baza (B), kollektor (C). Bazaga kichik tok $I_{B}$ kirsa, kollektordan emitterga undan β marta katta tok $I_{C} = β I_{B}$ o‘tadi (β — tok kuchaytirish koeffitsiyenti, 50 dan 500 gacha). Baza–emitter — diod: unga ≈ 0,7 V kerak, shuning uchun bazaga rezistor orqali ulanadi. TO-92 korpusning oyoqlari tekis yuzi sizga qaragan holda: BC547 — C B E, 2N2222 (PN2222A) — E B C. Adashtirsangiz tranzistor ishlamaydi — doim datasheetga qarang.

Uch soha: kesilgan, aktiv, to‘yingan

Baza toki yo‘q ( $U_{B E} < 0,7$ V) — tranzistor kesilgan: kollektor toki nol, kalit ochiq. Baza toki bor, lekin $β I_{B}$ yuk talab qilgan tokdan kam — aktiv soha: $I_{C} = β I_{B}$ , ortiqcha kuchlanish $U_{C E}$ tranzistorda qoladi va u qiziydi ( $P = U_{C E} I_{C}$ ). $β I_{B}$ yuk tokidan katta — to‘yinish: tokni yuk belgilaydi, $U_{C E}$ 0,1–0,2 V gacha tushadi, tranzistor yopiq kalitdek, deyarli qizimaydi. Kalit sifatida tranzistor faqat ikki chekka holatda ishlaydi: kesilgan yoki to‘yingan.

Hisob: baza rezistori

Motor 400 mA, 2N2222 (β ≈ 100): kerakli baza toki $I_{B} \geq 400 / 100 = 4$ mA. β nusxadan nusxaga va haroratdan farq qiladi, shuning uchun 2–3 marta zaxira olinadi: $I_{B} \approx 10$ mA. Pin 5 V, bazada 0,7 V: $R_{B} = (5 - 0,7) / 0,010 = 430$ Ω → standart 470 Ω (≈ 9 mA) yoki 330 Ω (≈ 12 mA). Pin toki 20 mA dan oshmasin: $R_{B} \geq 4,3 / 0,02 = 215$ Ω. Rezistorsiz ( $R_{B} = 0$ ) baza toki pinning ichki qarshiligi bilan cheklanadi — ≈ 100 mA: pin ham, baza–emitter o‘tishi ham kuyadi.

Chegaralar va himoya diodi

Har tranzistorning tok chegarasi bor: BC547 — 100 mA, 2N2222 — 800 mA. 400 mA li motorni BC547 ga ulasangiz, bir soniyada kuyadi. Quvvat: TO-92 ≈ 0,5 Vt tarqata oladi — aktiv sohada 1 Vt ajralsa, 10 soniyada tutaydi. Motor — induktiv yuk: tok uzilganda g‘altak uni davom ettirishga «urinadi»: $u = L d i / d t$ — kollektorda 40–45 V li igna paydo bo‘ladi, tranzistor teshiladi. Himoya (flyback) diodi motorga parallel, teskari ulanadi: ishlaganda yopiq, o‘chirilganda tokka yo‘l beradi — kuchlanish 9,7 V da to‘xtaydi. PWM ( $𝚊𝚗𝚊𝚕𝚘𝚐𝚆𝚛𝚒𝚝𝚎$ ) bilan tezlikni boshqarganda tranzistor sekundiga 490 marta o‘chadi — diodsiz bir zumda kuyadi.

Model haqida

Zanjir tugunlar usulida hisoblanadi. Tranzistor: $U_{B E}$ = 0,7 V + 20 Ω, $I_{C} = β I_{B}$ , to‘yinish $U_{C E}$ = 0,2 V dan boshlanadi; β har tur uchun o‘zgarmas (haqiqiy tranzistorda u tok va haroratga bog‘liq, 2N2222 da 500 mA da ≈ 40 gacha tushadi). Motor: yakor 6 Ω + teskari EYuK $k ω$ (k = 6 mV·s/rad), 1 mH, parrak bilan yuk momenti — 9 V da ≈ 9 300 ayl/min, 0,38 A. PWM da o‘rtacha tok $D \cdot I$ deb olinadi (induktivlik silliqlashi e’tiborsiz). Qizish: tok chegarasidan oshiqcha qism vaqt bo‘yicha yig‘iladi; korpus issiqlik modeli $τ \approx 8$ s; igna energiyasi $\frac{1}{2} L I^{2}$ — bir necha o‘chirishdan keyin tranzistor «teshiladi» (haqiqatda bu tasodifiy, lekin tartib shu).

Bilasizmi?

Birinchi tranzistorni 1947-yil dekabrda AQShning Bell Laboratories kompaniyasida Jon Bardin va Uolter Brattein yaratdi (nuqtali kontakt), Uilyam Shokli esa 1948-yilda o‘tishli tranzistorni taklif qildi; uchalasi 1956-yilda fizika bo‘yicha Nobel mukofotini oldi.
Bitta zamonaviy protsessor chipida o‘n milliardlab tranzistor bor: Apple M2 Ultra (2023) da 134 milliard — har biri shu tajribadagi kabi kalit, faqat o‘lchami bir necha nanometr.

Tajribada nima bor

Haqiqiy plata qo‘lda chizilgan rasmda: uni aylantirasiz, qismlarni joylaysiz, zanjirni ulaysiz, kodni yozib yuklaysiz — tok va kuchlanish o‘sha zahoti hisoblanadi, xato ulashda qism kuyadi. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

LED va rezistor: Om qonuni — 7-sinf
Rezistorlar: rang kodi — 7-sinf
Kuchlanish bo‘luvchi va potensiometr — 7-sinf
Kondensator: zaryadlanish va RC vaqt — 7-sinf
Diod va to‘g‘rilagich — 8-sinf
Multimetr bilan o‘lchash — 8-sinf