Как рассчитать транзисторный ключ? - ELSTROIKOMPLEKT.RU

Как рассчитать транзисторный ключ?

Транзисторный ключ

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе (БТ). Одно из распространённых их применений – согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными индикаторами, шаговыми двигателями и т.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Входная статическая характеристика

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы UКЭ. Коллекторный ток IК близок к нулю. При этом ток в цепи базы IК также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток IК имеет некое значение, которое зависит от величин UКЭ и RК. В цепи база-эмиттер также протекает ток IБ, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора RК и базы RБ. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Порядок расчета

Расчет начнем с определения сопротивления резистора RК, который предназначен для ограничения величины тока IК, протекающего через светодиод VD. RК находится по закону Ома:

Величина IК равна IVD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение UКЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔUVD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔUКЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление RК:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала RК = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод IVD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы RБ:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔURб и IБ. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔURб:

UБЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы IБ необходимо знать IК, который мы ранее пересчитали (IК = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниж е.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили RК и RБ по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

Однотранзисторные биполярные ключи в схемах на микроконтроллере

Транзистор — это основной активный элемент в электронной технике. «Активный», поскольку с его помощью можно усиливать сигнал по мощности. Для сравнения, трансформатор тоже может увеличивать амплитуду сигнала, но только по напряжению или по току, мощность всегда будет теряться. Следовательно, трансформаторы (а также, резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, кварцевые резонаторы, громкоговорители, реле) относятся к пассивным ЭРИ.

В цифровых схемах транзистор, как правило, выполняет функцию электронного ключа, имеющего два устойчивых состояния: «открыто» и «закрыто». Другими словами, ток через коллектор транзистора или протекает, или не протекает. Данное положение в равной мере относится к биполярным транзисторам структуры п—р—п и р—п—р.

Первые транзисторы появились в 1947 г. Их изобретатели, физики У. Браттейн, У.Шокли и Д.Бардин, наверное, и не подозревали, какую пользу транзисторы окажут человечеству в будущем. Современные экспериментальные транзисторы имеют сверхмалые размеры и уникальные параметры. Счёт уже идёт на электроны и терагерцы. В частности, разработан так называемый «одноэлектронный» транзистор, а также транзисторы на нанотрубках и графеновых структурах, позволяющие усиливать сигнал с частотой 1…6 ТГц.

При использовании биполярных транзисторов надо учитывать особенности их работы в ключевом режиме:

• ток базы транзистора должен быть достаточно большим, чтобы ключ открывался при любом коэффициенте передачи h2(его технологический разброс составляет 2…4 раза), во всём диапазоне температур и напряжений;

• ток базы транзистора должен быть достаточно малым, чтобы устранить эффект глубокого насыщения и не снижать быстродействие ключа;

• напряжение «база — эмиттер» открытого транзистора зависит от его мощности, температуры, коэффициента передачи и базового тока. Для маломощных «кремниевых» ключей ориентировочно принимают Ub3 = 0.6…0.7 В (в одних источниках округлённо пишут 0.6 В, в других 0.7 В);

• ток коллектора /к и ток базы /Б транзистора связаны приближённой формулой /к = Л21Э /Б. Если /Б = 1 мА, й21Э = 100, то /к = 100 мА. Когда нагрузочное сопротивление в коллекторе слишком большое, то оно не может «вместить» в себя весь ток 100 мА, а пропустит только часть его, например, 50 мА. Однако ток базы останется прежним как при 50 мА, так и при 100 мА в коллекторе. В этом случае говорят, что транзистор вошёл в насыщение с коэффициентом Кн = 2, т.е. /кмАх/ к = 100/50. Чем больше Ки, тем полнее открывается транзистор, но тем ниже его быстродействие;

Читайте также  Как рассчитать освещение в гараже?

• рабочие напряжения и токи должны быть меньше предельно допустимых по даташиту с «военным» коэффициентом запаса 0.7…0.8.

Хорошей поблажкой в любительских конструкциях является возможность индивидуальной подстройки рабочей точки транзисторного ключа окружающими его резисторами. Можно также выбрать один лучший транзистор из нескольких однотипных по оптимальной настройке какого-либо параметра. Однако то, что допускается в единичном любительском производстве, будет большим минусом в промышленной серии, где каждая лишняя регулировочная операция забирает время, увеличивает стоимость и снижает технологичность. Именно поэтому действующими отраслевыми стандартами запрещается необоснованная замена одинаковых ЭРИ, кроме тех случаев, когда элемент специально предназначен для регулирования и отмечен на схеме «звёздочкой», например, R1*.

Биполярные транзисторные ключи служат в основном для коммутации высоковольтных и низкоомных нагрузок (Рис. 2.67, a…y), Транзистор защищает MK от перегрузок и аварийных ситуаций как при работе, так и при отладке устройства.

Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах

а) простейший ключ на транзисторе VT1 с инверсией сигнала. Тип транзистора выбирается в зависимости от напряжения источника питания и мощности нагрузки RH. При значительной индуктивной составляющей RH ставят диоды VD1, VD2 (или только VD1), защищающие транзистор от выбросов отрицательного напряжения и снижающие помехи в цепи питания. Резистор R1 задаёт коэффициент насыщения транзисторного ключа из расчёта Кн = 1.1…2;

б) для уменьшения паразитной монтажной ёмкости между базой транзистора VT1 и линией MK используются два последовательных резистора R1, R2. Это помогает для уменьшения так называемых «наносекундных» импульсных помех, возникающих при переключении высоковольтных или мощных нагрузок. Появление «наносекундных» помех заранее предсказать сложно, поэтому надобность в двух базовых резисторах определяется экспериментально;

в) резистор R3 ставят, чтобы транзистор VT1 был надёжно закрыт при переводе линии MK в Z-состояние. Это происходит каждый раз при рестарте MK, а также при начальной подаче питания или при ошибках в программе, когда выход случайно настраивается как вход. Обычно отношение сопротивлений R2:R3 выбирают 1:2…1:10, но для увеличения быстродействия можно принять 1:1 или даже 2:1. Как следствие, снижается Кн, быстрее разряжается входная ёмкость, но может потребоваться подбор транзистора по коэффициенту передачи Л21Э. Резистор R1 обозначен пунктиром. Его ставят вместо резистора R3, но не часто, поскольку увеличивается расход энергии и невозможно регулировать рабочую точку транзистора. С другой стороны, схема становится универсальной как для биполярных, так и для полевых транзисторов. Резисторы R1, R3 не обязательны в следующих случаях: при работе в узком температурном диапазоне (комнатной температуре), при низкоомной нагрузке в коллекторе транзистора K77, при отсутствии помех, при низком обратном токе /КБ0, что характерно для современных кремниевых транзисторов; О

О Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах (продолжение):

г) стабилитрон VD1 повышает помехоустойчивость срабатывания ключа F77, если, например, к выходу MK подключается внешняя нагрузка к питанию, которая поднимает НИЗКИЙ логический уровень с 0.1 …0.2 до 0.7…1.5 В;

д) диод VD1 с одной стороны повышает помехоустойчивость, с другой стороны защищает MK от попадания в порт высокого напряжения в случае пробоя перехода «база — коллектор» транзистора VT1

е) линия MK имеет выход с открытым или квази открытым стоком, поэтому в схему добавлтся резистор R1, который определяет ток базы транзистора VT1 При рестарте MK транзистор VT1 открывается и через его коллектор какое-то время протекает полный ток нагрузки. Это нормально, если нагрузкой является безобидная индикаторная лампа, но может стать проблемой, если нагрузкой служит мощный пусковой двигатель. Данную схему также применяют для тестирования канала АЦП. Линия порта переводится в режим входа АЦП без « pull-up» резистора и программно измеряется напряжение в точке соединения резисторов R1, R2. Если напряжение близко к питанию +5 В, значит переход «база — эмиттер» транзистора VT1 находится в обрыве. Если напряжение 0.7…1 В, то по закону Ома вычисляют ток через резистор R1 и, зная коэффициент Л21Э, приближённо оценивают ток в нагрузке RH;

ж) иногда стараются во чтобы то ни стало включить/выключить нагрузку «скачком», но в данной схеме фронты специально сглаживаются конденсатором C1 и индуктивностью L1;

з) аналогично Рис. 2.67, в, но для транзистора VT1 структуры р—п—р и с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK;

и) пример диодной защиты транзистора VT1 при работе на индуктивную нагрузку, в качестве которой выступает первичная обмотка трансформатора 77; О

О Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах (продолжение):

к) эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 выполняет функцию неинвертирующего ключа с уменьшенной на 0.6…0.7 В амплитудой выходного сигнала. Резистор R2 закрывает транзистор во время рестарта MK. Резистор R1 ставится вместо резистора R2, если требуется, чтобы нагрузка в момент сброса была включена, а не выключена. Для повышения быстродействия резистор R3 можно заменить перемычкой, при этом сопротивление нагрузки RH и коэффициент передачи h2]3 транзистора КП должны быть достаточно большими, чтобы ток базы не превышал 20…25 мА. С другой стороны, резистор R3 служит фильтром ВЧ-помех, которые могут извне проникать через коллекторную ёмкость транзистора VT1 Кроме того, резистор R3 защищает MK от высокого напряжения +9 В при пробое перехода «база — коллектор» транзистора F77;

л) резистором R1 плавно регулируется напряжение в нагрузке RH от 0 до 4.3 В. Ток эмиттера, а значит и ток нагрузки, в первом приближении в И2]Э раз больше тока базы транзистора VT1. Установкой НИЗКОГО уровня на линии MK нагрузку можно гарантированно обесточить. Амплитуда сигнала в нагрузке будет в той же степени зависеть от температуры окружающей среды, что и напряжение иБЭ транзистора VT1;

м) линия MK имеет выход с квазиоткрытым стоком, совмещённым с входом АЦП. Ток через стабилитрон VD1 задаётся резистором R1. Когда транзистор VT1 открыт, то напряжение в нагрузке RH составляет примерно +3.2 В (зависит от разброса порогового напряжения стабилитрона VD1). При помощи входа АЦП можно измерить точное напряжение на стабилитроне VD1 н) при ВЫСОКОМ уровне на линии MK напряжения на выходах #вЫх1> вых2 составляют, соответственно, 4.3 и 1.25 В. При НИЗКОМ уровне на линии MK эти напряжения равны нулю; о) цепочка R1, C1 сглаживает переходные процессы на фронтах сигнала управления; п) внутри микросхемы DA1 находится полевой транзистор с защитным диодом между выводами 2 и 3 (переход «сток — исток»); О

О Рис. 2.67. Схемы подключения к MK однотранзисторных ключей на биполярных транзисторах (окончание):

p) рабочий ток в нагрузке RH стабилизируется микросхемой DA 1 и рассчитывается по формуле /Н[А] = 1.25/( 2-j[OM] + Л3[Ом]), где R2A — это сопротивление между средним и правым выводами резистора R2 после регулирования. Частота импульсов с выхода MK может быть достаточно большой, вплоть до 1 МГц;

с) подключение IGBT-транзистора VT1 к MK через мощный драйвер на микросхеме DA1. Резистор R1 ограничивает амплитуду тока заряда входной ёмкости транзистора VT1;

т) транзистор VT1 включается по схеме с общей базой, что позволяет коммутировать нагрузку RH, соединённую с источником отрицательного напряжения. Резистор R1 задаёт рабочий ток в нагрузке.

у) ток в нагрузке RH регулируется вручную переменным резистором R2. Существует также программный способ регулирования через канал ШИМ MK и ЯС-фильтр R1, C1. Постоянное напряжение на конденсаторе C1 может использоваться как опорное для других узлов.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте 🙂 Мы продолжаем активно погружаться в нюансы работы биполярных транзисторов и сегодня мы перейдем к практическому рассмотрению одной из схем использования БТ – схеме ключа на транзисторе!

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний – открытом (включенном) и закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Давайте разбираться!

И, первым делом, давайте саму схему и рассмотрим:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора 🙂 Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером. И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора ( R_б и R_к ). Вот с них и начнем!

Зачем же нужен резистор в цепи базы?

Итак, нам нужно подать на переход база-эмиттер напряжение прямого смещения. Его величина указывается среди параметров конкретного транзистора и обычно составляет в районе 0.6 В. Также мы знаем, какой управляющий сигнал мы будем подавать на вход для того, чтобы открыть транзистор. Например, при использовании микроконтроллера STM32 для управления ключом, на входе цепи у нас будет либо 0 В (транзистор в данном случае закрыт), либо 3.3 В (транзистор открыт). В данной схеме сигнал на вход подается не с контроллера, а напрямую с источника напряжения E_ <вх>при замыкании переключателя S_1 .

Читайте также  Как рассчитать мощность трансформатора по нагрузке?

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы – а как его менять? Верно – изменяя сопротивление этого самого резистора! То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины “транзистор открыт” и “закрыт”. Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

  • для того, чтобы закрыть транзистор, мы стремимся перевести его в режим отсечки
  • а чтобы открыть – в режим насыщения

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе!

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_ <вых>. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали 🙂

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к ). Для коллекторной цепи мы можем записать:

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор – линейный элемент ( U_R = I_R R ), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют – нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_ <кэ>и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может 🙂

И нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1. В данном случае падение напряжения U_ <кэ>на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов!

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В ( U_д ). При этом диод будет потреблять ток равный 50 мА ( I_д ). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

  • Коэффициент усиления по току h_ <21э>= 100. 500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
  • Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_ <бэ>= 0.6 medspace В .
  • Напряжение насыщения: U_ <кэ medspace нас>= 0.1 medspace В .

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Ведь если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_ <21э>, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру 🙂 Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

  • E_ <вх>= 3.3medspace В . Я выбрал типичное значение, которое встречается на практике при разработке схем на микроконтроллерах. В этом примере подача и отключение этого напряжения осуществляется переключателем S_1 .
  • E_ <вых>= 9medspace В .

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_ <к>= 120medspace Ом . Причем важно выбирать именно бОльшее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять мЕньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

А падение напряжения на резисторе R_б :

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, мЕньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии бОльшая часть напряжения упадет на транзисторе ( U_ <кэ>), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним! Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

  • R_ <б>= 5.1medspace КОм
  • R_ <к>= 120medspace Ом

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому и добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттеру. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть – от теории к практике Надеюсь, что материал будет полезен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, я буду рад помочь!

Электронный ключ на транзисторе — принцип работы и схема

В импульсных устройствах очень часто можно встретить транзисторные ключи. Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в других электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ выполняет свою функцию, и в зависимости от режима работы транзистора, схема ключа в целом может меняться, однако основная принципиальная схема транзисторного ключа — следующая:

Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа — это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.

В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние — состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние — состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в другое, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.

Статические состояния описываются в соответствии со статическими характеристиками транзистора. Характеристик две: семейство выходных — зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.

Для режима отсечки характерно смещение обеих p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка — это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превышает пороговое и имеет полярность обратную рабочей. В таком состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.

При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов больше чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в соответствии с нижней кривой из семейства выходных характеристик, эту кривую так и называют «характеристика отсечки».

Для примера проведем упрощенный расчет для ключевого режима транзистора, который будет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет длительное время находиться лишь в одном из двух главных состояний: полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка).

Пусть нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В будет составлять 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пусть разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет исходя из того, что реле включат один раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:

Iк = (Uпит-Uкэнас) / Rн.

Где: Iк — постоянный ток коллектора; Uпит — напряжение питания (12 вольт); Uкэнас — напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн — сопротивление нагрузки (400 Ом).

Получаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.

Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.

Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где h21э – статический коэффициент передачи по току.

Современные мультиметры позволяют измерять этот параметр, и в нашем случае он составил 50. Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для надежности взять минимальное из документации на данный транзистор.

Чтобы нужно определить необходимое значение резистора базы. Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет осуществляться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для обеспечения требуемого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получим:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом

Выберем в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из стандартного ряда резистор 6,8 кОм.

НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было надежным, будем применять дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит необходимо понизить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+Uбэнас/R2)

R1 = (5-1) / (0,000574+1/6800) = 5547 Ом.

Пусть будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.

Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радиатор транзистору не потребуется.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Работа транзистора в ключевом режиме

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: