Ключ на двух транзисторах

При работе со сложными схемами полезно использовать различные технические уловки, чтобы достичь желаемой цели без особых усилий. Одним из них является создание транзисторных переключателей. Что это такое? Почему их полезно создавать? Почему их также называют «электронными ключами»? Каковы особенности этого процесса и на что следует обратить внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Статический режим работы

Насыщение ключа

В таких случаях переход транзистора смещается в прямом направлении. Поэтому, если ток базы изменится, значение на коллекторе не изменится. В случае кремниевых транзисторов для смещения требуется напряжение около 0,8 В, а в случае германиевых транзисторов это напряжение составляет от 0,2 В до 0,4 В. А как вы вообще добиваетесь насыщенности переключателя? Увеличивая ток базы. Однако есть пределы, и насыщенность растет. То есть, при достижении определенного значения тока, он перестает увеличиваться. Почему необходимо насыщать выключатель? Существует специальный коэффициент, который показывает ситуацию. С его увеличением возрастает нагрузочная способность транзисторных ключей, дестабилизирующие факторы начинают воздействовать на них меньше, но скорость работы ухудшается. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирается из компромиссных соображений, ориентируясь на поставленную задачу.

Недостатки ненасыщенного ключа

  1. Напряжение разомкнутого переключателя упадет максимум примерно на 0,5 В.
  2. Помехоустойчивость будет снижена. Это связано с увеличением входного импеданса, наблюдаемого в ключах, когда они открыты. Поэтому такие возмущения, как скачки напряжения, также будут изменять характеристики транзисторов.
  3. Насыщенный переключатель обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, все же лучше выполнить этот процесс, чтобы получить лучшее устройство в долгосрочной перспективе.

Быстродействие

Взаимодействие с другими ключами

Что выбрать

  1. Низкое остаточное напряжение на ключе в подключенном состоянии.
  2. Высокое сопротивление и, как следствие, низкий ток, протекающий через закрытый элемент.
  3. Низкое энергопотребление, поэтому не требуется значительный источник управляющего напряжения.
  4. Можно переключать электрические сигналы низкого уровня, составляющие всего несколько микровольт.

Транзисторное переключающее реле — идеальное применение для полевых устройств. Конечно, эта заметка включена сюда исключительно для того, чтобы дать читателям представление об их применении. При наличии некоторых знаний и изобретательности возможности реализации, которыми обладают транзисторные переключатели, проявятся во множестве вариантов.

Пример работы

Давайте рассмотрим подробнее, как работает простой транзисторный переключатель. Коммутируемый сигнал передается с одного входа и снимается с другого выхода. Для запирания ключа на затвор транзистора подается напряжение, превышающее значения истока и стока на 2-3 В. Однако необходимо следить за тем, чтобы не превысить допустимый диапазон. Когда ключ заперт, его сопротивление относительно велико и превышает 10 Ом. Это связано с дополнительным эффектом тока смещения на p-n-переходе. В тех же условиях емкость между переключаемой сигнальной цепью и управляющим электродом варьируется между 3 и 30 пФ. Теперь давайте откроем транзисторный выключатель. Из схемы и практики ясно, что напряжение управляющего электрода в этом случае будет близко к нулю и в значительной степени зависит от сопротивления нагрузки и характеристик коммутируемого напряжения. Это связано с целым рядом взаимодействий транзистора с затвором, стоком и истоком. Это создает определенную проблему для работы в переключаемом режиме.

В качестве решения этой проблемы были разработаны различные схемы для стабилизации напряжения, проходящего между каналом и затвором. Даже диод может быть использован как таковой благодаря своим физическим свойствам. Для этого он должен быть переключен в прямом направлении напряжения затвора. При возникновении желаемой ситуации диод закроется, а p-n-переход откроется. Чтобы он оставался открытым при изменении коммутируемого напряжения, а сопротивление его канала не менялось, между источником и входом коммутатора можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс зарядки емкости.

Расчет транзисторного ключа

1) Коллектор — эмиттер — 45 В. Общая рассеиваемая мощность составляет 500 мВт. Коллектор — эмиттер — 0,2 В. Предел рабочей частоты — 100 мГц. База — эмиттер — 0,9 В. Коллекторный ток — 100 мА. Статическая текущая скорость передачи данных составляет 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Сопротивление коллектора: 3.45.06=57.5 Ом.

4) Для удобства мы принимаем номинал 62 Ом: 3,4562=0,0556 мА.

5) Рассчитайте ток базы: 56200=0.28mA (0.00028A).

6) Что будет стоять на базовом резисторе: 5 — 0,9 = 4,1V.

7) Определите сопротивление базового резистора: 4.1.00028 = 14.642.9 Ом.

Заключение

И наконец, о названии «электронные ключи». Факт, что состояние изменяется под воздействием тока. И что это такое? Правильно, коллекция электронных зарядов. Отсюда и пошло второе название. Вот, в принципе, и все. Как видите, принцип работы и схема транзисторных переключателей несложные, поэтому понять их — простая задача. Следует отметить, что даже автору этой статьи пришлось воспользоваться некоторыми справочниками, чтобы освежить свою память. Если у вас есть вопросы по терминологии, я предлагаю вам вспомнить технические словари и поискать новую информацию о транзисторных коммутаторах именно там.

«Один человек стоит в поле». Это символическое описание однотранзисторного переключателя. Естественно, в паре с единственным в своем роде изделием это гораздо проще. Введение второго транзистора может снизить требования к коэффициенту рассеивания и передачи A21e- Двухтранзисторные переключатели широко используются для коммутации более высоких напряжений, а также для пропускания больших токов через нагрузку.

На рисунке 2.68, а…г показаны электрические схемы двухтранзисторных биполярных переключателей для МК.

Рисунок 2.68: Схемы подключения двухтранзисторных биполярных переключателей (начало):

(a)Транзистор VT1 работает как эмиттерный усилитель. Он усиливает ток и подает его через ограничивающий резистор R2 на базу транзистора VT2, который непосредственно управляет нагрузкой RH;

(b) транзисторы K77, VT2 включены в цепь Дарлингтона (иначе называемую «составным транзистором»). Общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления L21E обоих транзисторов. Транзистор VT1 обычно является маломощным и более высокочастотным транзистором, чем VT2. Резистор R1 определяет степень насыщения «пары». Сопротивление резистора R2 выбирается обратно пропорционально току в нагрузке: от нескольких сотен Ом до нескольких десятков килоом;

(c) Схема Бокстеля. Диод Шоттки VD1 ускоряет переключение мощного транзистора VT2, увеличивая крутизну фронта сигнала в 2…3 раза при частоте 100 кГц. Таким образом, нивелируется основной недостаток транзисторов Дарлингтона — малое время отклика;

(d) Аналогично рис. 2.68, а, но транзистор VT1 открывается, когда линия МК переключается в состояние входа Z или входа с внутренним подтягивающим резистором. Это уменьшает токовую нагрузку на линию порта, но снижает экономичность за счет рассеивания дополнительной мощности в резисторе R1, когда выход МК находится в НИЗКОМ состоянии;

(e) «выключатель самозащиты» на силовом транзисторе VT2 и ограничивающем транзисторе VT1 Всякий раз, когда ток в нагрузке Ln превышает определенный порог, например, в результате неисправности или короткого замыкания, на резисторе R3 возникает напряжение, достаточно высокое для открытия транзистора VT1, которое шунтирует базовый переход транзистора VT2, вызывая ограничение выходного тока;

(f) транзисторный усилитель с транзисторами различной структуры; O

(g) транзистор I72 открывается с относительно короткой задержкой (R2, VD1, C7) и закрывается с относительно большой задержкой (C7, R3, VT1)

(h) Высоковольтный переключатель, обеспечивающий фронты импульсов 0,1 МКс при частоте повторения до 1 МГц. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт, а GT2 закрыт. На время импульса транзистор VT1 открыт и через него быстро разряжается емкость заряда 7? Диод VD1 предотвращает протекание сквозных токов через транзисторы VT1, VT2

(i) Комплексный эмиттерный усилитель на транзисторах VT1, VT2 имеет сверхвысокий коэффициент усиления по току. Резистор 7? 2 обеспечивает закрытие транзистора при низких уровнях выходного сигнала МК;

(j) Транзистор VT1 в открытом состоянии блокирует транзистор VT2. Резистор R1 служит коллекторной нагрузкой для транзистора VT1 и ограничителем тока базы для транзистора VT2 k) Эффективный push-pull каскад с буферной логикой 7)7, имеющий выходы типа открытый коллектор. Сигналы от двух линий МК должны быть противофазными. Резисторы R5, 7?6 ограничивают токи в нагрузке, подключенной к цепи 6 out; O

(m) ключ для нагрузки Ln, которая подключена к источнику отрицательного напряжения. Транзистор VT1 служит эмиттерным усилителем, а транзистор VT2 — усилителем с общей базой. Максимальный ток нагрузки определяется по формуле /n[mA] = 3,7 /L,[kOhm]. Диод VDJ защищает транзистор VT2 от обратной полярности питания.

(n) Транзисторы с различной структурой соединены ключом. Резистор R1 определяет ток в нагрузке RH, но он должен быть тщательно подобран, чтобы ток базы транзистора VT2 не был превышен, когда транзистор VT1 полностью открыт Схема критична для коэффициентов передачи обоих транзисторов;

(o) Аналогично рис. 2.68, n, но в качестве ключа вместо переменного резистора используется транзистор VT1. Ток в нагрузке устанавливается резистором R4. Резистор R5 ограничивает начальный пусковой ток транзистора VT2, когда емкостная составляющая нагрузки RH велика. Схема не критична для коэффициентов транзисторов. Если в качестве K72 используется транзистор KT825 superba, сопротивление R4 должно быть увеличено до 5,1 … 10 kΩ;

(n) Практический пример коммутации высокого напряжения 170 В при малом токе нагрузки с сопротивлением RH не менее 27 кОм;

(p) Аналогично рис. 2.68, n, но с активным НИЗКИМ уровнем на выходе МК; O

O Рис. 2.68 Схема подключения двухтранзисторного биполярного транзисторного ключа (конец):

(c) Транзисторы VT1 и kT2 работают в противофазе. Напряжение на нагрузку Ln подается через транзистор VT2 и диод VD1, при этом транзистор VT1 закрыт уровнем HIGH с верхнего выхода МК. Чтобы снять напряжение с нагрузки, транзистор G72 закрывается уровнем HIGH с нижнего выхода МК, после чего транзистор VT1 открывается и быстро разряжает емкость нагрузки через диод VD2. Преимуществом является высокая скорость, и напряжение может быть быстро подано на нагрузку снова;

(t) МК питается от «взвешенного» и отфильтрованного источника питания в диапазоне 4…4.5 В. Это обеспечивается гасящим столитром VD1 и помехоподавляющим конденсатором C1. На выходе HIGH MC транзисторы K77, G72 закрыты, а на выходе LOW транзисторы открыты. Максимально допустимый ток VD1 должен быть таким, чтобы он был больше суммы тока потребления МК, тока через резистор R1 на выходе LOW МК и тока внешних цепей, если они подключены к МК через другие линии порта;

(y) видеоусилитель на транзисторах VT1 и VT2, включенных по схеме Шиклая. Это разновидность схемы Дарлингтона, но с транзисторами разной проводимости. Эта пара эквивалентна одному транзистору L21E в р-п структуре со сверхвысоким коэффициентом усиления. Диоды VD1, KD2 защищают транзисторы от скачков напряжения, поступающих извне схемы VYX — Резистор R1 ограничивает ток в случае случайного короткого замыкания в проводе, подключенном к внешней удаленной нагрузке 75 Ом.

Источник: Рюмик С.М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Выпуск. 2 / С.М. Рюмик. — Москва: LR Dodeca-XX1, 2011 г. — 400 с.: илл. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Работа транзисторов в режиме переключения является основной во всех электронных системах, особенно в цифровых.

С чего все начиналось

В прошлом, до появления сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавались с помощью азбуки Морзе. В алфавите Морзе было три символа: точка, тире и… пауза. Для передачи сообщений на большие расстояния использовался так называемый телеграфный ключ.

Вы нажимаете на большую черную кнопку, и ток течет, затем вы сжимаете ее, и ток перестает течь. ВСЕ! Таким образом, варьируя скорость и время нажатия кнопки, мы можем закодировать любое сообщение. Сигнал возникает при нажатии кнопки, если кнопка отпущена, сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, построенный на транзисторе, называется транзисторным переключателем. Транзисторный переключатель выполняет только две операции: включение и выключение. Мы рассмотрим промежуточное состояние между включением и выключением в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же функцию, но его скорость переключения очень низкая с точки зрения современной электроники, а переключающие контакты быстро изнашиваются.

Что такое транзисторный переключатель? Давайте рассмотрим подробнее:

Знакомая схема, верно? Здесь все элементарно и просто 😉 Вы подключаете напряжение к базе, и ток начинает течь от плюсовой клеммы +Bat2->коллектор->эмиттер->к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению лампочки. Если да, то лампочка даст свет. Вместо лампочки может быть другая нагрузка. Резистор «R» необходим здесь для ограничения величины управляющего тока на базе транзистора. Я уже писал об этом в данной статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте напомним себе, каковы требования для полного «открытия» транзистора? Давайте прочитаем статью о принципе усиления биполярного транзистора и запомним:

1) Чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 В.

2) Ток, протекающий через базу, должен быть таким, чтобы электрический ток мог абсолютно беспрепятственно протекать через коллектор-эмиттер. В идеале сопротивление коллектор-эмиттер должно быть равно нулю, но в реальности оно будет в диапазоне долей ома. Этот режим называется «режим насыщения».

Эта картина — воображение моего разума. Здесь я нарисовал режим насыщенности.

Как видите, коллектор и эмиттер коротко замкнуты в режиме насыщения, и лампочка светит на полную мощность.

Базовая схема транзисторного ключа

Как предотвратить перегорание лампочки? Выключить его вручную? Почему. Потому что у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого можно изменить, пропуская определенное количество тока через базу 😉 Что же нужно сделать, чтобы лампочка перестала гореть? Возможны два варианта:

Первый способ. Полностью отсоедините источник питания от базового резистора, как показано ниже

Фактически, базовый штырь — это своего рода маленькая антенна, которая может принимать всевозможные наводки и шумы из окружающей среды. Этот шум может вызвать небольшой ток в базе. И, как вы помните, чтобы открыть транзистор, нужно не так уж много. И даже может случиться так, что лампочка светится очень слабо!

Как выйти из этой ситуации? Очень легко! Просто поставьте резистор между эмиттером и базой, т.е. сделайте напряжение на базе нулевым в выключенном состоянии. И какой вывод транзистора находится под нулем? Эмиттер! Итак, говоря научным языком, мы должны сделать потенциал на базе равным потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз, когда мы отключаем транзистор, мы должны заземлять базу? В идеале — да. Но есть еще более сложное решение 😉 Просто вставьте резистор между базой и эмиттером. Его номинал обычно принимается примерно в 10 раз больше номинала базового резистора.

Поскольку в схеме появился еще один резистор, назовем базовый резистор RB , а резистор между базой и эмиттером не будем выдумывать и назовем RBE. Схема будет выглядеть следующим образом:

Как же ведет себя резистор RBE в схеме? Если переключатель S замкнут, этот резистор не оказывает никакого влияния на схему, так как через него уже протекает небольшой ток, который управляет базой. Если S разомкнут, то, как я уже говорил, потенциал на базе будет равен потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Для обеспечения того, чтобы UBE

В первом или втором случае мы имеем транзистор, в котором ток через коллектор-эмиттер не течет. В этом случае говорят, что транзистор находится в «режиме отсечки».

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать приблизительное значение базового резистора? Существует несколько простых формул. Чтобы разобраться с ними, давайте рассмотрим такую схему:

Для начала вы можете найти базовый ток:

IB — базовый ток, в амперах.

kNAC — коэффициент насыщения. Обычно оно принимается в диапазоне 2-5. Это зависит от того, насколько сильно вы хотите довести транзистор до насыщения. Чем выше коэффициент, тем выше режим насыщения.

IK — ток коллектора, в амперах

И тогда остается только подсчитать.

Это самый простой расчет без каких-либо сложностей.

Расчет транзисторного ключа на практике

Что ж, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения. Мы подадим на базу общее питание 5 В.

Для нашего транзисторного переключателя мы возьмем транзистор средней мощности KT819B и лампочку. Лампочка имеет напряжение 6 В.

Транзистор KT819B со структурой NPN

А вот распиновка

Почти стандартная распиновка слева направо: эмиттер — коллектор — база.

Лампа накаливания с напряжением 6 В светит следующим образом:

А вот какой ток потребляет наше устройство при прямом подключении к источнику питания.

0,23 ампера. Это количество тока, которое должна потреблять наша лампочка, когда транзистор полностью открыт. Таким образом, это ток коллектора Ik. Поскольку сопротивление нити накала лампочки меняется при подключении ее к источнику питания, лучше всего сразу измерить ее ток, как мы и сделали.

Теперь дело за малым. Нам нужно измерить бета-фактор. В моей мастерской есть транзисторный измеритель для этого случая. Таким образом, у меня есть значение 148.

Поэтому мы находим базовый ток по формуле

Чем больше ток в базе, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Здесь вы сами выбираете значение коэффициента насыщенности. Как я уже писал выше, чем выше коэффициент, тем больше транзистор входит в насыщение. Режим глубокого насыщения чреват опасностью задержки выключения транзистора, но он хорош для удержания нагрузки в течение длительного времени, поскольку транзистор нагревается меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая транзистором, равна P=UKE x IH

P — мощность в ваттах

UKE — напряжение между коллектором и эмиттером, V

IE — ток, протекающий через нагрузку и коллектор-эмиттер, A

Из формулы: чем меньше UKE, тем меньше будет нагреваться транзистор.

Поэтому принимаем среднее значение коэффициента насыщения равным 3. Таким образом, получаем:

Теперь рассчитаем базовый резистор по формуле:

Мы берем ближайший из серии, который составляет 1 кОм.

Давайте рассмотрим, будет ли работать наш транзисторный переключатель? Поэтому мы берем расчетное значение RB, равное 1 кОм.

Давайте соберем схему и посмотрим, как она работает

В данном случае синие провода — это питание от Bat2 (MEILI), а два других провода — питание от Bat1 (YaXun).

Как вы помните, при прямом подключении к источнику питания лампочка потребляла 0,23 А. Теперь он считывает почти то же значение с небольшой погрешностью. Но мы все равно можем сказать, что когда транзисторный переключатель открыт, сопротивление коллектор-эмиттер очень мало. То есть, все напряжение поступает на трубку.

Поскольку амперметр в YaXun является сагиттальным и не может измерять очень малые значения тока, давайте воспользуемся мультиметром и посмотрим, сколько потребляет наш транзистор в полностью открытом режиме. Для этого прикладываем мультиметр к разомкнутой цепи. Подробнее о том, как измерять ток и напряжение с помощью мультиметра, вы можете прочитать в этой статье.

Мы получили 4,5 мА. Очень близко к расчетному значению 4,7 мА. Не забудьте подтянуть базу к земле с помощью большого резистора RBE, иначе база может уловить шум и случайно открыть транзистор, что приведет к ложному срабатыванию. В нашем случае мы берем резистор 10 кОм или больше.

Таким образом, этот транзисторный ключ уже будет защищен от ложных срабатываний и может быть использован в ваших электронных брелоках.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторные ключи очень часто используются в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует большую нагрузку. Как вы помните, максимальный ток, который может обеспечить одна ножка МК, составляет 20 миллиампер. Именно поэтому чаще всего вы видите эту схему на биполярном транзисторе в ключевом режиме:

Резистор RBE не нужен, так как выходы МК «подтягиваются» к нулю уже во время программирования.

Заключение

Биполярные транзисторы уже устарели. Их заменяют мощными полевыми транзисторами и твердотельными реле, поскольку они практически не потребляют ток. Диоды, тиристоры, термисторы и даже электронные лампы также часто используются в режиме переключения. Электронные переключатели широко используются в различных автоматических устройствах, логических схемах и системах управления. Так что же является хорошей характеристикой переключателей с биполярными транзисторами? Я думаю, что это, скорее всего, связано с низкой стоимостью, широким распространением и долговечностью самого биполярного транзистора.

Оцените статью
Добавить комментарий