background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

1

 

2015/2016

 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
Study Objective: 

(1) Understanding the characteristic transistors in cut-off and saturation. 
(2) Understanding how the transistor to be act as a device driver circuit. 
(3) Learning the transistor application in switching and driving.

 

 

Introduction: 

1. Transistor as a Switch  

Fig.  1  illustrates  the  basic  operation  of  the  transistor  as  a  switching 

device. In Fig. 1a, the transistor is in the cutoff region because the base-emitter 
junction  is  reversed-biased.  In  this  condition,  there  is,  ideally,  an  open  circuit 
between  collector  and  emitter,  as  indicated  by  the  switch  equivalent.  In  Fig. 
1b,  the  transistor  is  in  the  saturation  region  because  the  base-emitter  junction 
and the base-collector junction are forward-biased. In this case  base current is 
made large enough to cause the collector current to reach its saturation value. 
In this condition, there is, ideally, a short circuit between collector and emitter 
and the equivalent switch is closed as shown in Fig. 1b. 

 

(a) Cutoff-open switch 

 

 

(b) Saturation-closed switch 

 

 

 

 

Fig. 1: Ideal switching action of a transistor 

 

Condition in cutoff:

 

A  transistor  is  in  the  cutoff  region  when  the  base-emitter 

junction  in  reversed-bias.  neglecting    leakage  current,  all  of  the 
currents are zero, and V

CE

 is equal to V

CC

 (Fig. 2). 

CC

CE

V

(cutoff)

V

 

 
 
 

Experiment No. (5) 

 

Transistor as a Switch & 

Device Driver 

+V

CC

Q3

R

C

R

B

0 V

I

B

=0

I

C

=0

+V

CC

R

C

C

E

+V

CC

Q3

R

C

R

B

+V

BB

I

B

+V

CC

R

C

C

E

I

C(sat)

I

C(sat)


background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

2

 

2015/2016

 

Condition in saturation:

 

when  the  base-emitter  junction  is  forward-biased  and  there  is 

enough  base  current  to  produce  a  maximum  collector  current,  the 
transistor is saturated. The formula for collector saturation current is: 

C

sat

CE

CC

sat

C

R

V

V

I

)

(

)

(

 

The minimum value of base current needed to produce saturation is:  

 

Fig. 2: Output characteristic curves illustrating the cutoff and saturation 

conditions 

 
2. Use transistor to drive inductive device such as relay, motor 

When  the  transistor  is  used  to  drive  inductive  device,  you  shall 

consider if the current flowing through Collector during saturation of transistor 
conforms  to  the  specified  requirements,  and  you  shall  also  consider  if  the 
voltage  applied  to  Collector  during  cutoff  of  transistor  will  exceed  V

CEO

  that 

the  transistor  can  sustain  (V

CEO

:  the  voltage  that  CE  can  sustain  during  CE 

open status of transistor) As shown in Fig.  3, because a reverse electromotive 
force  will  be  generated  during  cutoff  of  transistor  with  polarity  indicated  in 
this figure, V

CE

 will be two times of V

CC

.

 

CC

CC

RELAY

CEO

V

V

V

V

2

 

 

I

C

+

-

V

CC

+

-

 

I

C(mA)

 

V

CE(V)

 

I

B=0

 

Saturation

 

Cutoff

 

 

Vcc

 

I

C

(sat)

 

 

V

CE(sat)

 

0

 

)

(

(min)

sat

C

B

I

I

Fig. 3 

 


background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

3

 

2015/2016

 

In  order  to  eliminate  the  reverse  electromotive  force  generated  by 

inductive  device  during  cutoff  of  transistor,  a  diode  can  be  connected  in 
parallel  across  two  terminals  of  the  coil,  shown  in  Fig  .2.  as  the  discharge 
circuit  for  the  reverse  electromotive  force.  V

CEO

  can  thus  be  decreased,  and 

achieve the function for protection of transistor. 
 

3. Relays 

A  relay  is  an  electro-mechanical 

switch.  It  consists  of  a  coil  and  moveable 
iron  lever  (Fig.  4).  when  current  flowing 
through  the  coil  of  the  relay  creates  a 
magnetic  field  which  attracts  a  lever  and 
changes the switch contact. The coil current 
can  be  on  or  off  so  relays  have  two  switch 
positions  and  they  are  double  throw 
switches.  

The relay's switch connections are usually  labeled  COMNC and NO:  

  COM = Common, this is the fixed side of the moving lever.  

  NC  =  Normally  Closed,  point  COM  is  connected  to  this  point  when  the 

relay coil is off.  

  NO  =  Normally  Open,  point  COM  is  connected  to  this  point  when  the 

relay coil is on.  

  

Relays allow one  circuit to switch  a second circuit  (AC or DC)  which 

can  be  completely  separate  from  the  first.  For  example  a  low  voltage  battery 
circuit can use a relay to switch a 220V AC mains circuit  as shown in Fig.  5. 
There is no electrical connection inside the relay between the two circuits, the 
link is magnetic and mechanical.  

Fig. 5: A transistor drives an AC circuit 

 
 

AC

V

CC

R

B

V

in

Lamp

Relay

High Voltage Circuit

Low Voltage Circuit

Electrically Separated Circuits

NO

COM

NC

COM

NC

NO

Relay 

Coil

Fig. 4: A relay 

 

Moveable lever

 


background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

4

 

2015/2016

 

Like relays, transistors can be used as an electrically operated switch. 

for  switching  a  small  DC  currents  (<  1A)  at  low  voltage  they  are  usually  a 
better  choice  than  a  relay.  However  transistors  cannot  switch  AC  or  high 
voltages (such as mains electricity) and they are not usually a good choice for 
switching large currents (> 5A). In these cases a relay will be needed, but note 
that  a  low  power transistor  may  still  be  needed  to  switch  the  current  for  the 
relay's coil. The main advantages and disadvantages of relays are listed below:  

Advantages of relays:  

 

Relays can switch AC and DC, transistors can only switch DC.  

 

Relays can switch high voltages, transistors cannot.  

 

Relays are a better choice for switching large currents (> 5A).  

 

Relays can switch many contacts at once.  

Disadvantages of relays:  

 

Relays are bulkier than transistors for switching small currents.  

 

Relays  cannot  switch  rapidly,  transistors  can  switch  many  times  per 
second.  

 

Relays use more power due to the current flowing through their coil.  

 

Relays  require  more  current  than  many  ICs  can  provide,  so  a  low 
power  transistor  may  be  needed  to  switch  the  current  for  the  relay's 
coil.  

 

Experiment Equipments: 

(1) KL-200 Linear Circuit Lab. 
(2) Experiment Module: KL-23003. 
(3) Experiment Instrument: 1. Multimeter or digital multimeter. 

     2. Oscilloscope. 

(4) Tools: Basic hand tools. 
(5) Materials: As indicated in the KL-23003. 

 

Experiment Items: 
 

Item  One  (1):  Experiment  for  ON  (saturation)  and  OFF  (cutoff) 
currents of transistor

 

1-1 Experiment Procedures: 

(1) Insert the short-circuit clip by referring to Fig. 6. 
(2) Connect ammeter to measure I

B

 and I

C

(3)  Feed  5V  voltage  to  the  input  terminal,  then  view  I

B

,  I

C

  and  V

CE

,  and 

make records in table -1. 

(4) Disconnect voltage from the  input terminal, then view  I

B

I

C

 and  V

CE

and make records in table -1. 


background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

5

 

2015/2016

 

12V

Q3

R17

2.2K

R15
22K

A

V

o

A

V

in

5V

 

Fig .6 

 

1-2 Experiment Result: 

Record in Table -1. 

Table -1 

 

 

Item Two (2): Use transistor to drive a relay (Using Multi-Sim) 

 
2-1 Experiment Procedures: 
(1)
 Connect the circuit shown in Fig. 7 using Multi-Sim Program. you can find 

the main devices of this circuit in the following Multi-sim libraries: 

  Relay from (Basic library/Relay/EDR201A05). 

  120V 60Hz AC Source from (sources library). 

  120V_100Watt Lamp from (indicators library/Lamp). 

  Switch from (Basic library/switch/SPDT). 

(2) a.  By using the switch  (in the input of the circuit), feed 5V voltage to the 

input  terminal,  then  view  if  the  lamp  is  illuminated  (this  means  that  the 
relay  has  been  turned  on  (magnetized)),  use  voltmeter  to  measure  V

CE 

and V

BE

Operating Region 

of Transistor

 

V

in

 

I

I

V

CE 

Saturation

 

 

 

 

 

Cut-off 

 

 

 

 


background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

6

 

2015/2016

 

b. Disconnect voltage from the input terminal, and then view if the lamp  is 

turned off (this means that the relay returns to OFF) )), use voltmeter to 
measure V

CE 

and V

BE

.

 

Fig. 7 

 

2-2 Experiment Result: 

Record in Table -3. 

Table -2 

Relay 

V

BE 

V

CE 

ON 

 

 

OFF 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

VCC

12V

Q2

2N2222A

K

K2

EDR201A05

1

V1

120 V 
60 Hz 
0Deg 

X1

120V_100W

R1

22.1k

J1

Key = Space

V2
5 V 

D1
1BH62

Relay 


background image

Experiment (7): Transistor as a Switch & a Device Driver

 

 

 

 

7

 

2015/2016

 

Conclution:(

 )االستنتاج

 
 
 
 
 
Discussions:

  

 

 (1) Explain at what conditions the transistor operate as a switch and as a driver.  
 (2)  When  the  transistor  drives  a  coil,  why  we  must  connect  a  diode  in  parallel  with 

the coil? 

(3) choose the correct answer: 

a)  When the transistor works as a switch, it represents: 

1.  Amplifier 
2.  NOT Gate 
3.  Buffer 

b)  In saturation, the transistor ideally behaves like an closed switch between: 

1.  Base and Emitter 
2.  Base and Collector 
3.  Collector and Emitter 

c)  In cutoff, the parameter that will be in its maximum value is: 

1.  V

CE

 

2.  I

C

 

3.  I

B

 

d)  To saturate a BJT, 

1.  I

B

 = I

C(SAT)

 

2.  I

B

 > I

C(SAT)

/β 

3.  I

B

 = 0 

e)  If base-emitter junction is open, the collector voltage is: 

1.  V

CC

 

2.  0V 
3.  Floating 




رفعت المحاضرة من قبل: Younis Rahema
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 285 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل