Как позвонить 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 U_КЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор R_К. Обратите внимание, положительный потенциал U_КЭ посредством R_К подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания U_КЭ изменяется на противоположную.

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

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением U_БЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Величина U_БЭ 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 U_КЭ и управляющего сигнала U_БЭ 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 U_КЭ. Коллекторный ток I_К близок к нулю. При этом ток в цепи базы I_К 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 I_К имеет некое значение, которое зависит от величин U_КЭ и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Б, 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 R_К и базы R_Б. 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 R_К, который предназначен для ограничения величины тока I_К, протекающего через светодиод VD. R_К находится по закону Ома:

Величина I_К равна I_VD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение U_КЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔU_VD 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 ΔU_КЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление R_К:

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

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы R_Б:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔU_Rб и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_Rб:

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

Для определения тока базы I_Б необходимо знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 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 ниже.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили R_К и R_Б 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.

Транзисторный
ключ это электронный
ключ, в качестве коммутирующего элемента
в котором используется транзистор.

Назначение
транзисторных ключей.

Транзисторные
ключи предназначены для коммутации
цепей нагрузки.

Классификация
транзисторных ключей.

Транзисторные
ключи классифицируются по следующим
основным признакам:

1. По виду нелинейного элемента.

• транзисторные ключи на
  биполярных транзисторах;

• транзисторные ключи на
  полевых транзисторах.

1. По схеме включения (для
   схем транзисторных ключей на биполярных
   транзисторах).

• схемы транзисторных ключей
  с общим эмиттером;

• схемы транзисторных ключей
  с общим коллектором;

• схемы транзисторных ключей
  с общей базой;

• схемы транзисторных ключей
  ключ-звезда.

1. По состоянию транзистора
   в открытом состоянии.

• насыщенный (схемы транзисторных
  ключей с внешним смещением; схемы
  транзисторных ключей с ускоряющим
  конденсатором).

• ненасыщенный (схемы
  транзисторных ключей с диодной фиксацией
  (нелинейной отрицательной обратной
  связью).

1. По включению сопротивления
   нагрузки в цепь транзисторного ключа.

• последовательные схемы
  транзисторных ключей.

• параллельные схемы
  транзисторных ключей.

Устройство
транзисторных ключей.

Рассмотрим
типовые схемы транзисторных ключей.

Рис. 14

Транзисторный
ключ состоит из коммутирующего прибора,
нагрузки, источника питания. Иногда
коммутирующий элемент и нагрузка могут
меняться местами.

Принцип
действия транзисторных ключей.

Транзистор
работает в ключевом режиме (режим
большого сигнала), и может находиться
в двух устойчивых состояниях:

1. закрытом
   состоянии, (режиме отсечки);

2. открытом
   состоянии.(режиме насыщения).

Активный
режим имеет место при переходе из одного
статического режима в другой.

Рассмотрим
работу различных схем транзисторных
ключей более подробно.

Схемы
транзисторных ключей:

Как
говорилось выше, транзистор работает
в режиме большого сигнала, (т.е. ключевом
режиме). При этом он может находиться в
двух устойчивых состояниях:

1. закрытом (режиме отсечки);

2. открытом (режиме насыщения).

Активный
режим, характерный для работы транзистора
в усилительном каскаде, имеет место при
переходе из одного устойчивого
(статического) состояния в другое.

Работа
транзисторного ключа в схеме с общим
эмиттером.

Рассмотрим
работу транзисторного ключа в схеме с
общим эмиттером без источника внешнего
смещения.

Схема
такого транзисторного ключа имеет вид:

Рис. 15

Здесь

R_б
— резистор, устанавливающий пределы
изменения входного тока базы I_б
при заданных пределах изменения входного
напряжения U_б,

R_к
— резистор, ограничивающий ток коллектора
открытого транзистора.

Данная
схема работает в следующих основных
режимах:

1. Режим отсечки.

1. Режим насыщения.

2. Переходный процесс выключения
   и включения (активный режим).

Рис. 16

Режим
отсечки.

Возникает
при отрицательном напряжении входа U₁,
в случае, если оно обеспечивает запирание
электронно-дырочного перехода, т.е. оба
p-n
перехода включены в обратном направ­лении.

При
этом, ток базы равен обратному току
коллектора (току неосновных носителей
зарядов), т.е. I_б=I_ко.

Условием
отсечки является:

U_бэ≤U_пор

где:

U_пор=-U₁+I_коR_б
(≤0,2
В для германия, ≤0,6
В для кремния).

В
режиме отсечки выходное напряжение
определяется из формулы:

U₂=Е_к-I_коR_нЕ_к
(т.к. I_ко0).

Режим
насыщения.

Возникает
при положительном напряжении входа U₁,
в случае, если создаваемый им ток базы
больше или равен току базы насыщения,
т.е. I_б
I_бнас.

Вспомнив
выражение, что I_кнас≥I_б,
можно получить
условие насыщения. При этом, величина
тока базы насыщения I_бнас
определяется через ток коллектора
насыщения I_кнас
и коэффициент передачи тока базы в
режиме большого сигнала (В). Т.е.

I_бнас
(I_кнас/В)=(Е/R_кВ).

При
таком токе базы насыщения транзистор
работает на границе режимов насыщения
и активном. В случае, если ток базы больше
тока базы насыщения I_б>I_бнас
происходит накапливание неосновных
носителей зарядов в базе, так как ток
коллектора I_к
не может быть больше тока коллектора
насыщения I_кнас.

При
насыщении

I_к=I_кнЕ/R_н,

а

U_кэ=Е-I_кнR_н,

причем
U_кэ
стремится к нулю.

Оба
p-n
перехода находятся в открытом состоянии:

1. эмиттерный переход за счет
   положительного входного сигнала U₁;

2. коллекторный переход за
   счет большого тока коллектора,
   уменьшающего U_кн
   до величины U_кн<U_бн.
   U_кн0,050,1
   В.

Переходный
процесс включения и выключения (активный
режим).

При
подаче на вход транзисторного ключа
коротких импульсов прямоугольной формы
ключ включается и выключается не
мгновенно, а за конечные промежутки
времени. Происходит искажение формы
импульса тока коллектора I_к
и увеличение его длительности.

Рассмотрим
подробно работу транзисторного ключа
в переходном процессе выключения и
включения.

Временная
диаграмма работы ТК имеет вид представленный
на Рис. 17.

Переходные
процессы в транзисторном ключе делятся
на:

1. переходные процессы
   включения;

2. переходные процессы
   выключения.

Переходные
процессы включения.

Переходные
процессы включения протекают в 3 этапа.

Задержка
включения (t_звкл):

Происходит
за счет изменения заряда барьерных
емкостей эмиттерного перехода и
коллекторного перехода при протекании
тока базы. При этом транзистор переходит
из области отсечки в активную область.
(Эмиттерный переход открыт, коллекторный
переход закрыт).

Формирование
фронта (t_ф):

Данный
этап характеризуется длительностью
фронта t_ф.
Транзистор находится в активной области.
В базе растет заряд неосновных носителей
заряда. Транзистор переходит в насыщенное
состояние. Длительность данного этапа
зависит от времени распространения
носителей зарядов от эмиттера через
базу к коллектору. Так же зависит от
величины емкости коллектора С_к.

Рис. 17

Накопление
избыточного заряда:

Транзистор
находится в режиме насыщения. Эмиттерный
переход и коллекторный переход смещены
в прямом направлении. Величина заряда
неосновных носителей заряда в базе
достигает стационарного значения. На
данный этап обращают внимание, т.к. он
имеет значение для процесса выключения
транзисторного ключа.

Переходные
процессы выключения транзисторного
ключа.

Переходные
процессы выключения транзисторного
ключа можно разделить на два этапа.

Рассасывание
избыточного заряда (задержка выключения).

Характеризуется
временем рассасывания — t_р.
Избыточный заряд в базе рассасывается
до граничного значения. Но транзистор
по прежнему остается в режиме насыщения.

Спад
импульса.

Характеризуется
длительностью спада — t_c.

Заряд
рассасывается от граничного значения
до нуля. Транзистор последовательно
переходит из области насыщения в активную
область и далее, когда заряд равен нулю
в области отсечки.

Таким
образом,

t_вкл=t_з+t_ф

t_выкл=t_р+t_c.

В
приведенных выражениях значительную
роль играет время рассасывания t_р,
которое составляет 10100
нс.

Время
выключения транзисторного ключа больше
времени включения, (t_выкл>t_вкл),
так как оно связано с насыщением
транзистора.

В
быстродействующих транзисторных ключах
транзисторы удерживают от насыщения.
Такие транзисторные ключи называют
ненасыщенными.

Выше
рассмотрена схема транзисторного ключа
с общим эмиттером управляемый двухполярными
импульсами. Такое управление не всегда
удобно. Поэтому на практике, как правило,
используют транзисторные ключи с внешним
смещением.

Транзисторный
ключ с ускоряющим конденсатором (с
форсирующей емкостью).

Рис. 18

В
данной схеме происходит уменьшение
тока базы I_б
после того как
транзисторный ключ вышел в режим
насыщения.

Рассмотрим
временную диаграмму отражающую работу
такой схемы:

Рис. 19

При
включении транзисторного ключа в момент
времени t₁
ток базы течет через
резистор R_б1,
разряженный конденсатор С, который
шунтирует R_б2
(т.е. ток базы I_б
ограничивается с помощью сопротивления
R_б1).
Т.к. ток базы I_б
велик, то длительность
фронта t_ф
уменьшается. После заряда конденсатора
(момент времени t₂
на временной диаграмме)
ток базы уменьшается за счет его
ограничения общим сопротивлением
R_б=R_б1+R_б2.
При выключении транзисторного ключа
напряжение заряженного конденсатора
ускоряет выключение транзистора за
счет приложенного отрицательного
потенциала к базе полупроводникового
прибора (момент времени t₃
на временной
диаграмме). Следовательно, уменьшается
время задержки включения t_з
и время (длительность) спада импульса
t_c.
Следовательно, уменьшается и время
выключения транзисторного ключа в
целом. Таким образом, уменьшается
длительность фронта, и получается крутой
фронт.

Другим
способом повысить быстродействие
транзисторного ключа является уменьшение
времени рассасывания. С этой целью
коллекторный переход не вводят в режим
насыщения за счет подключения диода и
осуществления нелинейной отрицательной
обратной связи.

Транзисторный
ключ с нелинейной отрицательной обратной
связью.

Рис. 20

Задержку
выключения можно устранить полностью,
если избежать насыщения транзистора.

Для
этого коллектор транзистора (например,
n-p-n
структуры) должен иметь положительный
потенциал, т.е. U_кб>0.

С
этой целью в схему транзисторного ключа
включают диод VD,
и за счёт этого реализуют нелинейную
отрицательную обратную связь.

В
исходном состоянии, при отсутствии
положительных управляющих импульсов
транзистор и диод заперты и отрицательная
обратная связь отсутствует.

С
поступлением положительного импульса
+U_m
транзистор отпирается ток коллектора
i_к
нарастает, а потенциал коллектора
уменьшается. При этом через резисторы
R_б1^’
R_б1^’’
проходит одинаковый ток базы

i_б^’=
i_б^’’=I_б1.

Анод
диода имеет положительный потенциал
относительно базы транзистора (см.
рисунок).

Когда
в процессе включения напряжение коллектор
— база станет меньше обратного напряжения
на диоде U_кб<U_обрVD,
диод откроется. После этого, если считать,
что прямое напряжение на диоде примерно
равно нулю

U_кб=
U_б1^’’=
i_б^’’R
_б1^’’>0.

Реально
же, прямое напряжение на диоде не равно
нулю. Тем не менее, при правильно выбранных
элементах схемы напряжение коллектор
— база транзистора положительно.
Транзистор при этом находится на границе
режима насыщения и активного режима, а
транзисторный ключ в не насыщенном
состоянии.

После
отпирания диода VD
часть тока базы i_б
ответвляется на него и ток i_б
равен току базы в стационарном состоянии.

При
микроминиатюризации (в микросхемах)
при исполнении транзисторных ключей
нелинейную отрицательную обратную
связь реализуют с помощью диода Шоттки.

Рис. 21

Единую
интегральную структуру транзистор —
диод Шоттки называют транзистором
Шоттки.

При
применении диода Шоттки отпадает
необходимость во втором источнике
смещения на базе транзистора.

Таким
образом, в рассмотренной схеме диод VD
обеспечивает положительный потенциал
на коллекторе относительно базы, т.е.
коллекторный переход включен в обратном
направлении. При этом транзисторный
ключ в режим насыщения не переходит. В
результате исключается процесс
рассасывания носителей заряда t_рас.

Транзисторные
ключи могут исполнятся так же и на
полевых транзисторах.

Параметры
транзисторных ключей.

1. Быстродействие — определяется
   временем включения и временем выключения
   транзисторного ключа, т.е. временем его
   переключения.

1. Пороговое напряжение —
   значение входного напряжения при
   котором сопротивление транзисторного
   ключа резко меняется.

2. Помехоустойчивость —
   максимальная величина входного
   напряжения, при котором транзисторный
   ключ еще не срабатывает.

3. Сопротивление во включенном
   и выключенном состоянии.

4. Остаточное напряжение на
   транзисторе.

Применение
транзисторных ключей

Транзисторный
ключ является основным элементом более
сложных схем и устройств импульсной
техники:

• усилителей-формирователей;

• триггеров;

• мультивибраторов;

• блокинг-генераторов и т.п.

Таким
образом, вся цифровая
микроэлектроника построена на основе
транзисторных ключей.

Соседние файлы в папке Импульсные

• #
• #
• #
• #
• #
• #

Пожалуй, даже далёкий от электроники человек слышал, что существует такой элемент, как реле. Простейшее электромагнитное реле содержит в себе электромагнит, при подаче на который напряжения происходит замыкание двух других контактов. С помощью реле мы может коммутировать довольно мощную нагрузку, подавая или наоборот, снимая напряжение с управляющих контактов. Наибольшее распространение получили реле, управляющиеся от 12-ти вольт. Также встречаются реле на напряжение 3, 5, 24 вольта.

Однако коммутировать мощную нагрузку можно не только с помощью реле. В последнее время широкое распространение получили мощные полевые транзисторы. Одно из их главных предназначений – работа в ключевом режиме, т.е. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток – Исток практически равно нулю. Открыть полевой транзистор можно подав напряжение на затвор относительно его истока. Сравнить работу ключа на полевом транзисторе можно с работой реле – подали напряжение на затвор, транзистор открылся, цепь замкнулась. Сняли напряжение с затвора – цепь разомкнулась, нагрузка обесточена.
При этом ключ на полевом транзисторе имеет перед реле некоторые преимущества, такие, как:

• Большая долговечность. Довольно часто реле выходят из строя из-за наличия механически подвижных частей, транзистор же при правильных условиях эксплуатации имеет гораздо больший срок службы.
• Экономичность. Обмотка реле потребляет ток, причём иногда весьма значительный. Затвор транзистора же потребляет ток только в момент подачи на него напряжения, затем он практически не потребляет тока.
• Отсутствие щелчков при переключении.

Схема

Схема ключа на полевого транзистора представлена ниже:

Резистор R1 в ней является токоограничивающим, он нужен для того, чтобы уменьшить ток, потребляемый затвором в момент открытия, без него транзистор может выйти из строя. Номинал этого резистора можно спокойно изменять в широких пределах, от 10 до 100 Ом, это не скажется на работе схемы.
Резистор R2 подтягивает затвор к истоку, тем самым уравнивая их потенциалы тогда, когда на затвор не подаётся напряжение. Без него затвор останется «висеть в воздухе» и транзистор не сможет гарантированно закрыться. Номинал этого резистора также можно менять в широких пределах – от 1 до 10 кОм.
Транзистор Т1 – полевой N-канальный транзистор. Его нужно выбирать исходя из мощности, потребляемой нагрузкой и величины управляющего напряжения. Если оно меньше 7-ти вольт, следует взять так называемый «логический» полевой транзистор, который надёжно открывает от напряжения 3.3 – 5 вольт. Их можно найти на материнских платах компьютеров. Если управляющее напряжение лежит в пределах 7-15 вольт, можно взять «обычный» полевой транзистор, например, IRF630, IRF730, IRF540 или любые другие аналогичные. При этом следует обратить внимание на такую характеристику, как сопротивление открытого канала. Транзисторы не идеальны, и даже в открытом состоянии сопротивление перехода Сток – Исток не равно нулю. Чаще всего оно составляет сотые доли Ома, что совершенно не критично при коммутации нагрузки небольшой мощности, но весьма существенно при больших токах. Поэтому, чтобы снизить падение напряжения на транзисторе и, соответственно, уменьшить его нагрев, нужно выбирать транзистор с наименьшим сопротивлением открытого канала.
«N» на схеме – какая-либо нагрузка.
Недостатком ключа на транзисторе является то, что он может работать только в цепях постоянного тока, ведь ток идёт только от Стока к Истоку.

Изготовление ключа на полевом транзисторе

Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:
1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:

Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:

В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Падение напряжение на транзисторе при этом составило 0,07 вольта, что в данном случае совсем не критично. Нагрева транзистора на наблюдается даже при постоянной работе схемы. Успешной сборки!

Скачать плату и схему:

plata.zip
[4.93 Kb] (cкачиваний: 1698)

Приветствую всех снова на нашем сайте, сегодня продолжаем активно погружаться в нюансы работы транзисторов и переходим к практическому рассмотрению одной из схем — ключа на биполярном транзисторе.

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний — открытом (включенном) или закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Приступаем к детальному разбору.

И первым делом рассмотрим непосредственно саму схему:

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 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 (возьмем STM32 к примеру) 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.

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

U_{R_б} = E_{вх} medspace - medspace U_{бэ}

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:

U_{кэ} + I_к R_к = E_{вых}

Или:

I_к = frac{E_{вых} medspace - medspace U_{кэ}}{R_к}

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 по итогу 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. 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 типовое значение, которое встречается на практике при разработке схем на контроллерах. 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:

U_{кэ medspace нас} + U_{R_к} + U_д = E_{вых}

При этом по закону Ома напряжение на резисторе R_{к} :

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

U_{кэ medspace нас} + I_д R_к + U_д = E_{вых}

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

R_к = frac{E_{вых} medspace - medspace U_д medspace - medspace U_{кэ medspace нас}}{I_д} enspace= frac{9 medspace В medspace  - medspace 3 medspace В medspace - medspace 0.1 medspace В}{0.05 medspace А} medspaceapprox 118 medspace Ом.

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:

I_к =  frac{U_{R_к}}{R_к} medspace = frac{9 medspace В medspace - medspace 3 medspace В medspace - medspace 0.1 medspace В}{120 medspace Ом} medspaceapproxmedspace 49.17 medspace мА

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

I_б =  frac{I_к}{h_{21э}} = frac{49.17 medspace мА}{100} = 491.7 medspace мкА

А падение напряжения на резисторе R_б:

U_{R_б} = E_{вх} medspace - medspace 0.6 medspace В = 3.3 medspace В medspace - medspace 0.6 medspace В = 2.7 medspace В

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

R_б = frac{U_{R_б}}{I_б}medspace = frac{2.7 medspace В}{491.7 medspace мкА} approx 5.49 medspace КОм

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 добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттера. 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 был понятен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, будем разбираться.

Управление мощной нагрузкой

06 Jan 2017

На практике часто возникает необходимость управлять при помощи
цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным
электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий
большой ток, или прибор, питающийся от электрической сети. Рассмотрим типовые
решения этой задачи.

Виды управления

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с
низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют
ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем
(почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

1. Управление нагрузкой постоянного тока.
   • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
   • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
   • Транзисторный ключ на IGBT.
2. Управление нагрузкой переменного тока.
   • Тиристорный ключ.
   • Симисторный ключ.
3. Универсальный метод.
   • Реле.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида
применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах,
то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где
управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Ключ на биполярном транзисторе

Простейший ключ

Простейший ключ на биполярном
транзисторе проводимости n-p-n
выглядит следующим образом.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема
построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull»)
выходом,
то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к
питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника
питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом
транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток
сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через
нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход
база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и
просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает
линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен
значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить
утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это
относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока
на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам
нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а
с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то
есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько
проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых
схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем
получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база
— эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение
напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку
остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например,
реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе
тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на
нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для
упрощённой модели транзистора:

[I_к = beta I_б.]

Коэффициент (beta) — это коэффициент усиления по току. Его ещё
обозначают (h_{21э}) или (h_{FE}). У разных транзисторов он
разный.

Зная мощность нагрузки (P) и напряжение питания (V), можно найти ток
коллектора, а из него и ток базы:

[I_б = frac1{beta} frac{P}{V}.]

По закону Ома получаем:

[R_1 = frac{V}{I_б}.]

Коэффициент (beta) не фиксированная величина, он может меняться даже
для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше
брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по
току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать
предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе
коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных
транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти
или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно,
можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и
цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не
требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель,
который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в
воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё
один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то
обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая
магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при
отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение
обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или
даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени
относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем
сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не
понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько
усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток
только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание
контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить
резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него
идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле
перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор
R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять,
например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения
реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью
микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим
образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов
диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа
используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и
напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока
равен (beta = 50) (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно (V_{LED} = 3{,}6,textrm{В}), а
напряжение насыщения транзистора (V_{CE} = 0{,}4,textrm{В}) то напряжение на
резисторе R2 будет равно (V_{R2} = 5{,}0 — 3{,}6 — 0{,}4 = 1,textrm{В}). Для
рабочего тока светодиода (I_{LED} = 0{,}075,textrm{А}) получаем

[R_2 = frac{V_{R2}}{I_{LED}} = frac{1}{0{,}075} approx 15,textrm{Ом}.]

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд
E12.

Для тока (I_{LED} = 0{,}075,textrm{А}) управляющий ток должен быть в (beta =
50) раз меньше:

[I_б = frac{I_{LED}}{beta} approx 1{,}5,textrm{мА}.]

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным (V_{EB} =
0{,}7,textrm{В}).

Отсюда

[R_1 = frac{V — V_{EB}}{I_б} approx 2{,}7,textrm{кОм}]

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по
току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать
нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент (beta) может
быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных
транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый
транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая
схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты (beta) двух транзисторов умножаются, что
позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить
эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток
база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры
таких транзисторов приведены в таблице.

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Ключ на полевом транзисторе

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET,
то есть полевые транзисторы с изолированным
затвором
(они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются
исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше
порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через
транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное
преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё
время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET
(даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные
транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её
«снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор
открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает
пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать
дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или
открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через
затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный
конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот
конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И
если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё
потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует,
фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

[I_{разр} = frac{V}{R_1},]

где (V) — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы
ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление
резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как
постоянная времени (tau = RC) увеличится. Это важно, если транзистор
часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это
пороговое напряжение (V_{th}), максимальный ток через сток (I_D) и
сопротивление сток — исток (R_{DS}) у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Для (V_{th}) приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных
транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно
отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот
транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с
напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов
достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях
управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной
мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока
превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и
сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не
может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор
работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится
включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно
быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и
обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с
паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился
как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так
как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов,
то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного
транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому
оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных
биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального
транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между
транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение
затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется
не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору
между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую
микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор
сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например,
IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения
нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять
«висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее
эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно
использовать в качестве ключа — это биполярные транзисторы с
изолированным затвором (IGBT).

Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных
транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения
предельно допустимых напряжений и токов.

Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за
того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно
используются вместе с драйверами.

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления
IGBT.

Пример IGBT — IRG4BC30F.

Управление нагрузкой переменного тока

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но
работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и
линия питания (или две линии — для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые
распространённые — это использование тиристоров, симисторов и реле.
Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор
— это полупроводниковый прибор, который может находится в двух
состояниях:

• открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
• закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для
включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину
времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не
менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться
для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой
мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он
позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания
нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

• подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
• подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет
постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв
полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так
называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным
током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания
((I_H)). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток
через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не
откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше
использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например,
MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот
фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным
ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА,
поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся
использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до
1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через
второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой
накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера
симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они
переключаются только в начале периода, что снижает помехи в
электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же
резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания
и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое —
симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь
напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для
России, Украины и многих других стран) — это значение
действующего напряжения. Пиковое напряжение равно (sqrt2 cdot 230 approx
325,textrm{В}).

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или
при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим,
чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в
схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и
резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем
без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение,
большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это
325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: (C_1 = 0{,}01,textrm{мкФ}), (R_4 = 33,textrm{Ом}).

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например,
BTA06-600C.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь (I_H) — ток удержания,
(max I_{T(RMS)}) — максимальный ток, (max V_{DRM}) — максимальное напряжение,
(I_{GT}) — отпирающий ток.

Реле

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой,
причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно
использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также
улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле
HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать
нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается
несколькими недостатками:

• это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
• меньшая скорость переключения,
• сравнительно большие токи для переключения,
• контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных
реле. Это,
фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой,
содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Заключение

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления
нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может
возникнуть перед радиолюбителем.

Полезные источники

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
8. Управление MOSFET-ами #1
9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Редактор схем

Все схемы нарисованы в KiCAD. В последнее
время для своих проектов использую именно его, очень удобно,
рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и
проектировать печатные платы.

Идею написать статью про биполярный транзистор, что такое регулируемый блок питания на нем и принципы его эксплуатации мне подсказал один из читателей. Он попросил изложить материал простым языком, понятным даже начинающему электрику.

Поэтому постараюсь избегать сложных технических терминов и формул, а прибегну к поясняющим картинкам и схемам.

Биполярный транзистор: внешний вид, составные элементы, конструкция корпуса — кратко

Сразу стоит определиться, что биполярный транзистор (bipolar transistor) создан для работы в цепях постоянного тока, где и используется. Сократим его название до БТ.

На фотографии ниже показал насколько разнообразные формы он имеет. А ведь этот небольшой ассортимент мной высыпан из одной маленькой коробочки.

Транзисторный корпус может быть изготовлен из пластмассы или металла в виде параллелепипеда, цилиндра, таблетки различной величины. Общими элементами являются три контактных штыря, созданные для подключения к электрической схеме.

Эти выводы необходимо различать в технической документации, правильно подключать при монтаже. Поэтому их назвали:

1. Э (E) — эмиттер;
2. К (C) — коллектор;
3. Б (B) — база.

Буквы в скобках используются в международной документации.

Основной метод соединения БТ в электрических схемах — пайка, хотя допускаются и другие.

Габариты корпуса и контактных выводов зависят от мощности, которую способен коммутировать этот модуль. Чем выше проектная нагрузка, тем большие размеры вынуждены создавать производители для обеспечения надежной работы и отвода опасного тепла.

Общеизвестно, что полупроводниковые переходы не способны выдерживать высокий нагрев — они банально перегорают. Поэтому все мощные корпуса выполняются из металла и снабжаются теплоотводящими радиаторами.

В особо ответственных узлах для них дополнительно создается принудительный обдув струями воздуха. Этим приемом значительно повышается надежность работы системных блоков компьютеров, ноутбуков, сложной электронной техники.

Любой БТ состоит из трех полупроводниковых переходов p и n типа, как обычный диод. Только у диода их меньше: всего два. Он способен пропускать ток всего в одну сторону, а в противоположную — блокирует.

Bipolar transistor создается по одной из двух схем соединения полупроводниковых элементов:

1. p-n-p, называемую прямым включением;
2. n-p-n — обратным.

При обозначении на схемах их рисуют одинаково, но с небольшими отличиями вывода эмиттера:

1. прямое направление: стрелка нацелена на базу;
2. обратное — стрелка показывается выходом из базы наружу элемента.

Указатель стрелки эмиттера показывает положительное направление тока через полупроводниковый переход.

Принципы работы биполярного транзистора — 2 варианта его использования в различных электронных устройствах

Обычно такие процессы принято объяснять движением носителей зарядов внутри полупроводников: дырок и электронов. При этом от приложенных источников ЭДС создаются токи, циркулирующие через выводы коллектора и эмиттера.

Они зависят от приложенных напряжений Uэб и Uкб, что показывают вольт-амперной характеристикой.

При низких значениях ЭДС переходы не могут пропустить через себя электрический ток. В таком случае говорят, что электронный ключ закрыт. Для его открытия необходимо подать управляющий сигнал. Им служит определенная величина напряжения, приложенная между базой и эмиттером.

Первое назначение биполярного транзистора: это работа в качестве электронного ключа, когда он без команды блокирует протекание через себя электрического тока, а при ее поступлении — пропускает нагрузку.

Поясню практическое применение этой функции чуть подробнее.

Что такое электронный ключ на транзисторе и как он работает: 2 примера

На практике создано множество устройств, функционирующих на базе транзисторного ключа. Покажу две, которые легко повторить своими руками даже начинающему мастеру, осваивающему навыки владения паяльником.

Простейший датчик протечки воды — схема и описание для чайника

Устройство, помещающееся в спичечный коробок и автоматически оповещающее хозяина о появлении влаги на полу под раковинной или ванной, собирается из следующих пяти деталей:

1. датчик влажности — изолированная пластина из пластика с двумя токопроводящими контактными площадками (наклеенная металлическая фольга). Они отделены друг от друга воздушным пространством. Желательно положить на кусочек марли или ватку, хорошо впитывающую пролитую воду;
2. транзистор марки 2N5551 или его аналог;
3. светодиод VD1;
4. любой пьезоэлемент SP1 — звуковой преобразователь электрического сигнала, который можно взять из отслуживших свой срок электронных часов;
5. элемент питания на 3 вольта — подойдет литиевая батарейка типа «таблетка» для часов, калькуляторов и подобных гаджетов.

Этот электронный ключ в сухом состоянии закрыт, ибо выводы его транзисторного перехода база-коллектор разомкнуты. При протечке воды создается электрический контакт между площадками датчика влажности.

Поданного напряжения от источника питания на выводы «Б» и «К» VT вполне достаточно для изменения состояния закрытого перехода. Ключ открывается, а ток в эмиттерной цепи зажигает светодиод и включает звуковое оповещение.

Более детально работа этой схемы описана в отдельной статье. Аналогичным образом работает ключ в следующей разработке.

Схема управления насосом откачки воды для повторения своими руками

Считаем, что перед нами стоит задача поддерживать объем воды в баке между нижним допустимым горизонтом (L) и верхней меткой (H) за счет включения и отключения насоса. С этой целью помещаем в бак три электрода на указанной высоте.

Провода от них подводим к соответствующим входам электрической схемы управления. Она запитывается постоянным напряжением 12 вольт (блок питания или аккумулятор).

Если воды в баке нет, то электрическая связь между контактами COM, L и N отсутствует. Транзисторы VT1, VT2 закрыты. Но +12 вольт через диод VD1 проходит на базу VT3, открывая его и, соответственно, VT4.

Последний подает напряжение на исполнительное реле KL1, которое своими контактами включает насос. Он начинает заполнять бак водой. Светодиод HL1 своими свечением сообщает о работе насоса.

В момент достижения водой уровня L происходит открытие VT1, но оно не влияет на состояние VT3. Напряжение на его базе поддерживается резистором R8.

Когда вода достигает верхнего уровня H, то срабатывает ключ VT2, чем дополнительно снижает напряжение на базе VT3 и, соответственно, VT4. Это приводит к отключению реле и насоса. Светодиод гаснет.

Насос будет обесточен до достижения нижнего уровня воды в баке. Дальше описанный алгоритм работы повторяется по циклу.

Обе схемы демонстрируют работу транзисторного ключа. Он управляется по команде, поступающей от контактных датчиков. В итоге происходит включение или отключение исполнительного органа. Выполнение других функций здесь не предусмотрено.

Регулятор тока на биполярном транзисторе: как работает схема управления

Принцип действия регулятора мне удобнее объяснять следующей картинкой его открытого состояния.

Принципиально она ничем не отличается от той, которая расположена выше и демонстрирует работу биполярного транзистора. Но здесь нагляднее и понятнее показаны процессы, протекающие по закону Ома.

Напомню, что закрытый транзистор не пропускает через себя электрический ток. Но его открытое состояние создается сразу двумя рабочими контурами:

1. эмиттер-база, где циркулирует ток управления I1;
2. эмиттер-коллектор с подключенной силовой схемой и током в ней I2.

Здесь действует важная закономерность: маленький ток, протекающий через базу, управляет большой нагрузкой, подключенной к цепи эмиттер-коллектор.

А делается это все за счет изменения величины напряжения между базой и змиттером при одной и той же разности потенциалов, приложенной к внешней схеме выводов коллектора и эмиттера.

Попробовал изобразить следующей картинкой принцип регулирования коллекторного тока в БТ.

Надеюсь понятно, что при низком напряжении U1 он маленький, при среднем — средний, а при повышенном — увеличенный.

Таким образом: коллекторный ток регулируется приложенным напряжением к базе при одном и том же напряжении между эмиттером и коллектором.

По этому принципу работают многочисленные блоки питания. Приведу пример одного из простых, конструкцию которого можно легко собрать своими руками.

Детали обозначены сразу на схеме. Трансформатор можно взять из старого лампового телевизора или другой техники. Не сложно его рассчитать и намотать самостоятельно. В любом случае он должен отвечать нагрузке, которая будет через него проходить.

Защиту от коротких замыканий и перегрузов выполняем простыми плавкими вставками. Диодный мостик подбираем по нагрузке. В большинстве случаев можно обойтись старыми диодами Д226.

Нас в этой конструкции интересует прежде всего принцип регулирования, осуществляемый выходным БТ КТ815. Он происходит за счет изменения положения движка потенциометра R6, который управляет потенциалом на базе транзистора КТ315 (VT1).

С выхода КТ315 потенциал подается на базу VT2. А он уже определяет выходные параметры в силовой цепи 0-12 вольт.

5 технических нюансов работы биполярных транзисторов, которые важно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных ключей или регуляторов

Особенность №1

Электрические характеристики БТ описываются сложными формулами. Ими очень неудобно пользоваться на практике. Поэтому электронщики работают с графиками, выражающими связи между входными и выходными параметрами.

Их разделяют на два вида:

1. статические, определяющие возможности полупроводниковых переходов по токам и напряжениям на входе и выходе при отсутствии нагрузки (режим холостого хода);
2. выходные — зависимость тока через коллектор от приложенного выходного напряжения при конкретном токе через базу.

Каждому БТ присущи свои индивидуальные характеристики. Однако сейчас подобных полупроводников выпущено так много, что практически любому из них не сложно подобрать аналогичную замену даже от другого производителя.

Для работы транзисторов может быть использован один из следующих режимов:

• активный (нормальный или инверсный);
• насыщения;
• отсечки;
• барьерный.

Особенность №2

Любой БТ, созданный с корпусом p-n-p или n-p-n работает практически по одним и тем же алгоритмам, которые отличаются только направлением протекания положительного тока через полупроводниковые переходы.

Поэтому для прямых и обратных транзисторов создаются индивидуальные схемы управления и подключения нагрузки к выходным цепям.

В качестве примера приведу еще одну схему простого зарядного устройства, собранную на транзисторном модуле с p-n-p переходами. Можете ее сравнить с предыдущим вариантом. Увидите практически одинаковую конструкцию, но с обратным направлением тока.

Здесь деталей еще меньше, а регулирование выходных величин осуществляется за счет изменения значения напряжения, подаваемого на вход электронного модуля. Используется обыкновенный потенциометр.

Особенность №3

При открытом состоянии входной полупроводниковый переход в режим отсечки БТ имеет небольшое падение напряжения. В частном случае он составляет порядка 0,7 вольта. Чтобы зафиксировать ваше внимание на этом вопросе специально нарисовал картинку — считается, что так лучше работает человеческая память.

Другими словами: потенциал на базе на 0,7 вольта меньше, чем на эмиттере. Для кремниевых изделий он всегда составляет 0,6-0,7 В.

Особенность №4

Ток коллектора БТ определяется как ток базы, умноженный на определенно большое число постоянной величины.

Это свойство используется для классификации транзисторов по коэффициенту передачи тока при коротком замыкании на выходе.

С этой целью введен коэффициент h21. Его суть демонстрирует следующая картинка.

Если выдержать показанные номиналы у приведенной схемы проверки (10 вольт у источника ЭДС и 100 килоом у сопротивления), то показания амперметра в миллиамперах просто умножаем на число 10. Получим значение коэффициента h21.

Подобные алгоритмы заложены в цифровые мультиметры и аналоговые тестеры, которые позволяют измерять коэффициент h21 при проверках БТ.

Особенность №5

При открытом состоянии потенциал внутреннего полупроводникового перехода БТ коллектора выше, чем у эмиттера. В моем частном случае он составляет 0,3 вольта.

Здесь открытый транзистор работает как обычный ключ, но он не идеален. На его внутренней схеме присутствует падение напряжения в 0,3 вольта. Однако в большинстве случаев это не критично.

Допустим, что в коллекторной цепи появилось дополнительное сопротивление. Изменение тока через этот резистор повлечет падение напряжения на нем.

Однако более высокий потенциал коллектора совместно с увеличенным током через базу могут стабилизировать выходные характеристики. В этом случае силовые токи сохраняют свое значение.

Как проверить биполярный транзистор: 2 доступные методики

Для подборки транзисторов с одинаковыми коэффициентами h21 существуют специальные пробники. Сейчас ими снабжаются обычные цифровые мультиметры. Во времена моей молодости они монтировались только на дорогих аналоговых тестерах.

Существует две методики оценки исправности транзисторов:

1. с помощью мультиметра или тестера по замеру сопротивлений между всеми выводами (самый распространенный и доступный способ);
2. посредством вычисления коэффициента h21 встроенным пробником.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром или тестером: подробная инструкция с фотографиями

Если вернуться к конструкции полупроводниковых переходов, то можно сразу заметить, что наш транзистор вполне допустимо представить двумя диодами, подключенными одноименными полюсами (p или n) со своими выводами. Общая точка у них будет работать базой.

Теперь вспомним как проверяется диод: через него пропускают электрический ток в оба направления, а по его прохождению оценивают внутреннее сопротивление перехода. Если оно укладывается в норматив, то полупроводник исправен. Иная картина — брак.

Этот же принцип заложен в проверку БТ. Просто через каждую пару контактов надо пропустить ток в обе стороны, а по его изменению судить об исправности проверяемого элемента.

Для проверки нам потребуется:

1. уточнить возможности своего мультиметра или тестера;
2. воспользоваться справочными данными, приведенной чуть ниже;
3. выполнить измерения.

Что надо учитывать в своем измерительном приборе

Мой старенький тестер Ц4324 имеет обозначения на своей шкале, на которые необходимо обратить внимание.

Мы будем работать на шкале kΩ. Рядом с гнездом для подключения измерительного провода стоит значок —kΩ., указывающий на потенциал минуса этого контактного гнезда. Плюс находится на противоположной левой стороне.

Эти сведения помогут нам определиться с направлением тока, который будет протекать через полупроводниковые переходы.

В роли вольтметра постоянного тока у него «плюс» находится на этой же правой клемме. Зная это, проверяю полярность мультиметра, переключив его в режим измерения Ω или прозвонки, а тестер — вольт.

На показанном фото тестер замерил напряжение мультиметра, а последний — сопротивление вольтметра. Но нас сейчас интересует другая информация:

1. плюсовой вывод мультиметра находится на его красном щупе;
2. минусовой — черный.

Справочные данные — кратко

Сразу замечу, что приведенные здесь параметры ориентировочные. Однако они позволяют оценивать работоспособность полупроводниковых переходов.

Исправный БТ в цепи база-коллектор и база-эмиттер в одну сторону (зависит от прямой или обратной проводимости) обладает сопротивлением на пределах омов, например, 50-1200.

В противоположном направлении ток не пропускается. Прибор покажет бесконечность: ∞ (у меня отображается как 0.L, на отдельных мультиметрах — знак 1).

При измерениях учитываем:

1. плюсовой щуп ставится на вывод, соответствующий входу тока, а минусовой — выходу;
2. значок ∞ обозначает, что на указанном пределе измерения мультиметр не смог определить сопротивление: оно больше (вполне возможен обрыв цепи);
3. полученный результат около 0 Ом при замерах током через базу означает пробой перехода;
4. величина сопротивления между коллектором и эмиттером оценивается значком ∞.

Как выполнить измерения

Работать можно тестером или мультиметром. Разницы практически особой нет. Я буду все показывать на примере своего карманного Mestek MT-102. Просто на стареньком Ц4324 мне сложнее все объяснять, а вам — разбираться.

Если у вас другой прибор и имеются затруднения с его освоением, то у меня есть статья, где обобщены и подробно изложены принципы замеров любыми цифровыми мультиметрами. Можете заходить и пользоваться.

Я знаю, что у мощных транзисторов в металлических корпусах коллектор всегда соединен с металлом корпуса.

Перевел мультиметр в режим прозвонки (можно омметра), один конец закрепил крокодилом на корпусе, а вторым щупом нашел соответствующий вывод. Замер показывает ноль.

Чтобы вам было удобнее отслеживать мои действия по фотографиям обозначил вывода чисто случайным образом:

1. на один штырек надел короткий отрезок кембрика;
2. на второй — длинный;
3. третий оставил голым (коллектор).

Я проверял силовой транзистор П213А с толстыми контактами. На них просто удобно садить крокодилы, делать фотографии. Работа с маленьким изделиями и тонкими ножками выполняется аналогично. Только щупы придется оголить и не допускать создания излишних контактов.

Маркировка П213А четко обозначена на корпусе. Она позволяет заглянуть в справочник, определить по картинке в нем вывода, узнать технические характеристики, включая проводимость: прямую или обратную.

На практике часто это не выполняется: маркировка не читаема, изделие «no name». Вот этой сложной методики я и буду придерживаться, как приходится поступать чаще всего.

Выбираю один из контактов (не помеченный кембриком) и ставлю на него щуп, например, красный. На второй произвольный (длинный кембрик) подключаю черный конец. Записываю показание —196 Ом.

Переношу черный конец на вывод с коротким кембриком. Вижу очень большое сопротивление.

Меняю концы местами: на голый вывод сажу черный щуп, а на длинный — красный. Вижу высокое сопротивление.

Переношу красный конец на вывод с коротким кембриком. Замеряю 72 Ома.

Осталось два замера. Красный щуп оставляю на прежнем месте, а черный подключаю на вывод с длинным кембриком. Результат — 198 Ом.

Меняю концы местами. Голый вывод не задействован. Наблюдаю очень большое сопротивление.

Теперь остается проанализировать полученные результаты.

Мы знаем, что вывод базы является общим для обоих составных диодов. На него должны прозваниваться с величиной омов оба перехода. Это замеры №:

• 1 (плюс или красный щуп на голом выводе, минус — на длинном кембрике);
• 4 (минус на голом выводе, плюс — на коротком кембрике);
• 5 (минус на длинном, плюс на коротком).

Замечаю, что общий вывод для двух замеров (1 и 5) из трех помечен длинным кембриком. На него с двух сторон проходит ток. Значит это база.

Два остальных вывода: эмиттер и коллектор. Надо их как-то различить. Методика здесь следующая: сопротивление коллектор-база всегда меньше, чем эмиттер-база. (Коллекторный ток неизбежно самый большой). Сравниваем 196 Ом в первом случае и 198 в пятом.

Получаем, что коллектор у нас ничем не помечен, что и подтвердила фотография его прозвонки на корпус. Оставшийся вывод с коротким кембриком — эмиттер.

Обращаем внимание на направление токов на базу. Они идут снаружи вовнутрь переходов (направление прямое: структура p-n-p). В обратную сторону токи не проходят: полупроводники целые.

Теперь важное замечание: маломощные транзисторы имеют очень высокое сопротивление между эмиттером и коллектором при замерах током в обе стороны.

У мощных же моделей БТ между этими выводами в одну сторону (зависит от проводимости) замеряются какие-то Омы, что мы и имеем на картинке №4.

А теперь показываю характеристики проверяемого П213А, взятые из интернет-магазина. Они помогут вам оценить результаты моей проверки.

Учтите, что эта методика позволяет определять исправность транзисторов прямо на монтажной плате без их выпаивания. Просто бывают случаи, когда полупроводниковые переходы зашунтированы низкоомными резисторами.

Они будут прозваниваться в обе стороны с низким сопротивлением. Тогда БТ придется демонтировать. Но обычно их не выпаивают: зачем лишние телодвижения.

Работайте внимательно и аккуратно. Нельзя касаться пальцами металлической части щупов. Это изменит результат замера, приведет к ошибке.

Как замерить коэффициент h21 у биполярного транзистора

Очень давно я делал небольшую коробочку с батарейкой, амперметром, набором сопротивлений, переключателем и клеммами для подключения полупроводников. После небольших манипуляций на этом устройстве замеренные токи коллекторной цепи и базы пересчитывались по формуле. Так определялся коэффициент h21.

Сейчас такие действия считаются мазохизмом. У большинства современных мультиметров, даже бюджетного класса, имеется встроенная функция для этого замера.

Пользователю достаточно выставить переключатель прибора в положение hFE, а в контактное гнездо подключить испытуемый БТ с учетом проводимости и обозначенных выводов.

Прибор автоматически отработает, покажет вычисленный им коэффициент h21.

И вот что самое интересное: даже в таком простом замере новички допускают ошибки, ибо:

1. путают местами выводные контакты или проводимость;
2. создают неплотное прилегание выводов в гнездах мультиметра.

Второе происходит чаще. Дело в том, все БТ выпускаются с разными толщинами контактных ножек. Надо просто подобрать диаметр проволочки под отверстие гнезда, чтобы она плотно входила в него.

Нарезать из нее несколько отрезков, подбирая удобную длину. Затем они просто напаиваются на ножки для проведения замера, как показано на фото выше.

Предлагаю посмотреть коротенькое видео, посвященное описанию работы с биполярными транзисторами.

Вот в принципе и все, что я хотел рассказать про биполярный транзистор, что такое его полупроводниковые переходы, как они работают и проверяются. Если у вас еще остались какие-то вопросы, то задавайте их в комментариях.

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Статический режим работы

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Взаимодействие с другими ключами

Что выбрать

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

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

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45,06=57,5 Ом.

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

5) Считаем ток базы: 56200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Статический режим работы

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Взаимодействие с другими ключами

Что выбрать

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

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

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45,06=57,5 Ом.

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

5) Считаем ток базы: 56200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор “R” здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Базовая схема транзисторного ключа

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!

Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале – да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем R_Б , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем R_БЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор R_БЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы U_БЭ

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме “отсечки“.

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

I_Б – это базовый ток, в Амперах

k_НАС – коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I_K – коллекторный ток, в Амперах

Ну а дальше дело за малым

Это самый простой расчет без всяких заморочек.

Расчет транзисторного ключа на практике

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения. На базу будем подавать распространенное питание в 5 В.

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б и лампочку-нагрузку для нашего транзисторного ключа. Лампочка на 6 В.

Транзистор КТ819Б структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Лампочка при питании 6 В светит примерно вот так:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее соединить напрямую к блоку питания.

0,23 Ампера. Именно такую силу тока должна кушать наша лампочка в режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт. То есть это у нас будет коллекторный ток I_k . Так как сопротивление нити накала лампочки меняется при подключении ее к источнику питания, то лучше всего сразу же измерить ее силу тока, как мы и сделали.

Теперь дело за малым. Надо замерить коэффициент бета. Для этого случая на моем рабочем столе есть прибор транзисторметр. Итак, у меня получилось значение 148

Итак, находим ток базы по формуле

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Здесь уже вы сами должны выбрать значение коэффициента насыщения. Как я уже писал выше, чем больше коэффициент, тем сильнее уходит транзистор в режим насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=U_КЭ х I_Н

P – это мощность в Ваттах

U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

I_Н – сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше U_КЭ , тем меньше будет греться транзистор

Поэтому, берем среднее значение коэффициента насыщения равное 3. Получаем:

Теперь считаем базовый резистор по формуле:

Берем ближайший из ряда, то есть 1 кОм.

Давайте посмотрим, будет ли работать наш транзисторный ключ? Итак, R_Б берем рассчитанное значение в 1 кОм.

Собираем схему и смотрим, как она работает

В данном случае синие провода – это питание с Bat2 (MEILI), а другие два провода – это питание с блока питания Bat1 (YaXun)

Как вы помните, лампочка у нас потребляла силу тока в 0,23 Ампер при прямом включении ее к блоку питания. Сейчас же она кажет почти то же самое значение с небольшой погрешностью. Но можно все равно сказать, что при открытом транзисторном ключе сопротивление коллектора-эмиттера очень мало. То есть все напряжение поступает на лампу.

Так как амперметр на YaXun стрелочный и не может измерять очень маленькие значение тока, то воспользуемся мультиметром и посмотрим, сколько же потребляет наш транзистор в режиме полного открытия. Для этого ставим мультиметр в разрыв цепи. Более подробно, как измерять силу тока и напряжение мультиметром, вы можете прочитать в этой статье.

Мы получили 4,5 мА. Очень близко к расчетному 4,7 мА. Не забываем подтянуть базу к земле резистором большим номиналом R_БЭ, иначе база может поймать помеху и открыть невзначай транзистор, что приведет к ложному срабатыванию. В нашем случае мы берем резистор от 10 кОм и более.

Ну все, такой транзисторный ключ будет уже защищен от ложных срабатываний и его можно использовать в своих электронных безделушках.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор R_БЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Заключение

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.