Ключ на транзисторе: Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

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_Кимеет 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.

Еще статьи по данной теме

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

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

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

И, первым делом, давайте саму схему и рассмотрим:

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

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

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

Зачем же нужен резистор в цепи базы?

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

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

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

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

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

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

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

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

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

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

U_{R_к} = I_к R_к

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

U_{R_к} = I_д R_к

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} \medspace\approx 118 \medspace Ом.

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_{к} = 120\medspace 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} \medspace\approx\medspace 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} = 5.1\medspace КОм
• R_{к} = 120\medspace Ом

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

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

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Добавлено 1 сентября 2017 в 07:00

Сохранить или поделиться

Поскольку коллекторный ток транзистора пропорционально ограничен его током базы, то транзистор можно использовать как своего рода ключ с токовым управлением. Относительно небольшой поток электронов, передаваемых через базу транзистора, обладает способностью управлять намного большим потоком электронов через коллектор.

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотели включать и выключать с помощью ключа. Такая схема была бы предельно простой, как на рисунке ниже (a).

Для иллюстрации, давайте вставим вместо ключа транзистор, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером. Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, то мы должны подключить коллектор и эмиттер нашего транзистора на место двух контактов ключа. Мы также должны убедиться, что поток электронов через лампу будет двигаться против направления стрелки эмиттера на условном обозначении (направление электрического тока должно совпадать с направлением стрелки), чтобы убедиться, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(a) механический ключ, (b) ключ на NPN транзисторе, (c) ключ на PNP транзисторе.

Для этой работы может использоваться и PNP транзистор. Схема с ним показана на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP может быть произвольным. Всё, что имеет значение, заключается в правильных направлениях токов для правильного смещения перехода (поток электронов двигается против стрелки на обозначении транзистора).

Возвращаясь к NPN транзистору на схеме нашего примера, мы сталкиваемся с необходимостью добавить что-то еще для появления тока базы. Без подключения к выводу базы транзистора ток базы будет равен нулю, и транзистор не сможет включиться, в результате чего лампа всегда будет выключена. Помните, что для NPN транзистора ток базы должен состоять из электронов, протекающих от эмиттера к базе (против обозначения стрелки эмиттера, точно так же, как и поток электронов через лампу). Возможно, проще всего было бы подключить коммутатор между выводом базы транзистора и аккумулятором, как показано на рисунке ниже (a).

Транзистор: (a) закрыт, лампа выключена; (b) открыт, лампа включена (стрелками показано направление движения потока электронов)

Если ключ разомкнут, как показано на рисунке выше (a), вывод базы транзистора остается «висеть в воздухе» (не подключенным к чему-либо), и ток через этот вывод протекать не будет. В этом состоянии говорят, что транзистор закрыт. Если ключ замкнут, как показано на рисунке выше (b), электроны смогут перемещаться от эмиттера, через базу транзистора, через ключ, назад к положительному выводу батареи. Этот ток базы позволит протекать намного большему потоку электронов от эмиттера через коллектор, что приведет к тому, что лампа загорится. В этом состоянии максимального тока говорят, что транзистор открыт/насыщен.

Конечно, может показаться бессмысленным использование транзистора для этого способа управления лампой. В конце концов, мы всё еще используем в схеме ключ, не так ли? Если мы всё еще используем ключ для управления лампой – хотя и косвенно – тогда в чем смысл ставить транзистор для управления током? Почему бы просто не вернуться к нашей первоначальной схеме и использовать ключ напрямую для управления током лампы?

На самом деле здесь можно обратить внимание на два момента. Во-первых, тот факт, что при таком способе через контакты ключа должен проходить лишь небольшой ток базы, необходимый для открытия транзистора; транзистор сам обрабатывает большой ток лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель может пропускать небольшой ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно мощной нагрузкой. Что еще более важно, управляемое током поведение транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения и выключения лампы. Рассмотрим рисунок ниже, где пара солнечных элементов обеспечивает 1В для преодоления 0,7В напряжения база-эмиттер, что позволит протекать току через базу, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит в качестве датчика освещенности (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Или мы можем использовать термопару (несколько соединенных последовательно термопар), чтобы обеспечить протекание тока базы, необходимого для открывания транзистора, как показано на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает напряжение менее 40 мВ. Несколько соединенных последовательно термопар могут обеспечить напряжение, превышающее 0,7 В напряжения V_БЭ транзистора, что вызовет появление тока базы и, следовательно, тока коллектора через лампу (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

Даже микрофон (рисунок ниже) с достаточным напряжением и током (от усилителя) может открыть транзистор, если сигнал на его выходе выпрямляется из переменного напряжения в постоянное так, чтобы на PN-переход эмиттер-база транзистора подавалось прямое смещение.

Усиленный сигнал микрофона выпрямляется в постоянное напряжение для смещения базы транзистора, обеспечивающего больший ток коллектора (стрелками показано направления движения потоков электронов, электрические токи направлены в противоположную сторону)

К настоящему времени должен быть очевиден следующий момент: любой достаточный источник постоянного тока может использоваться для открывания транзистора, и от этого источника требуется лишь малая часть тока, необходимого для включения лампы. Здесь мы видим, что транзистор работает не только как коммутатор, но и как настоящий усилитель: использует относительно слабый сигнал для управления относительно большой величиной мощности. Обратите внимание, что фактическое питание для зажигания лампы исходит от батареи справа на схеме. Это не малый ток сигнала от солнечного элемента, термопары или микрофона магически трансформируется в большее количество энергии. Скорее эти маломощные источники просто контролируют мощность батареи для зажигания лампы.

Подведем итоги:

• Транзисторы могут использоваться в качестве коммутирующих элементов для управления постоянным напряжением, поступающим на нагрузку. Переключаемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
• Когда через транзистор не протекает ток, говорят, что транзистор находится в закрытом состоянии (полностью не проводит ток).
• Когда через транзистор протекает максимальный ток, говорят, что транзистор находится в открытом состоянии, состоянии насыщения (полностью проводит ток).

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКоммутаторКоммутацияОбучениеТранзисторный ключЭлектроника

Сохранить или поделиться

Ключ на двух транзисторах

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.

«Один в поле не воин». Так можно символически охарактеризовать однотранзисторные ключи. Естественно, в паре с себе подобными решать поставленные задачи гораздо легче. Введение второго транзистора позволяет снизить требования к разбросу и величине коэффициента передачи А₂1э- Двухтранзисторные ключи широко применяются для коммутации повышенных напряжений, а также для пропускания большого тока через нагрузку.

На Рис. 2.68, a…y приведены схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах к MK.

Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (начало):

а)транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем. Он усиливает ток и через ограничительный резистор R2 подаёт его в базу транзистора VT2, который непосредственно управляет нагрузкой R_H;

б) транзисторы K77, VT2 включены по схеме Дарлингтона (другое название «составной транзистор»). Общее усиление равно произведению коэффициентов передачи Л_21Э обоих транзисторов. Транзистор VT1 обычно ставят маломощный и более высокочастотный, чем VT2. Резистор R1 определяет степень насыщения «пары». Сопротивление резистора R2 выбирается обратно пропорционально току в нагрузке: от нескольких сотен ом до десятков килоом;

в) схема Д.Бокстеля. Диод Шоттки VD1 ускоряет запирание мощного транзистора VT2, повышая в 2…3 раза крутизну фронтов сигнала на частоте 100 кГц. Тем самым нивелируется основной недостаток схем с транзисторами Дарлингтона — низкое быстродействие;

г) аналогично Рис. 2.68, а, но транзистор VT1 открывается при переводе линии MK в режим входа с Z-состоянием или входа с внутренним « pull-up» резистором. В связи с этим уменьшается токовая нагрузка на линию порта, но снижается экономичность за счёт рассеяния дополнительной мощности на резисторе R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

д) «само защищённый ключ» на силовом транзисторе VT2 и ограничивающем транзисторе VT1 Как только ток в нагрузке Л_н превысит определённый порог, например, из-за аварии или замыкания, на резисторе R3 выделяется напряжение, достаточное для открывания транзистора VT1 Он шунтирует базовый переход транзистора VT2, вызывая ограничение выходного тока;

е) двухтактный усилитель импульсов на транзисторах разной структуры; О

ж) транзистор И72открывается с относительно малой задержкой по времени (R2, VD1, C7), а закрывается — с относительно большой задержкой по времени (C7, R3, VT1)

з) высоковольтный ключ, обеспечивающий фронты импульсов 0.1 МК с при частоте повторения до 1 МГц. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт, а ГТ2закрыт. На время импульса транзистор VT1 открывается и через него быстро разряжается ёмкость нагрузки 7?_н. Диод VD1 исключает протекание сквозных токов через транзисторы VT1, VT2

и) составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT1, ГТ2обладает сверхбольшим коэффициентом усиления по току. Резистор 7?2гарантированно закрывает транзисторы при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

к)транзистор VT1 в открытом состоянии блокирует транзистор VT2. Резистор R1 служит коллекторной нагрузкой транзистора VT1 и ограничителем базового тока для транзистора VT2 л) мощный двухтактный каскад с буферной логической микросхемой 7)7)7, которая имеет выходы с открытым коллектором. Сигналы с двух линий MK должны быть противофазными. Резисторы R5, 7?6ограничиваюттоки в нагрузке, подключаемой к цепи 6 _вых; О

м) ключ для нагрузки Л_н, которая подключается к источнику отрицательного напряжения. Транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем, а транзистор VT2 — усилителем с общей базой. Максимальный ток нагрузки определяется по формуле /_н[мА] = 3.7 /Л,[кОм]. Диод VDJ защищает транзистор VT2 от переполюсовки питания.

н) ключ на транзисторах разной структуры. Резистор R1 определяет ток в нагрузке R_H, но подбирать его надо осторожно, чтобы не превысить ток базы транзистора VT2 при полностью открытом транзисторе VT1 Схема критична к коэффициентам передачи обоих транзисторов;

о) аналогично Рис. 2.68, н, но транзистор VT1 используется как ключ, а не как переменное сопротивление. Ток в нагрузке задаётся резистором R4. Резистор R5 ограничивает начальный пусковой ток транзистора VT2 при большой ёмкостной составляющей нагрузки R_H. Схема не критична к коэффициентам передачи транзисторов. Если в качестве К72используется «суперба» транзистор KT825, то сопротивление R4 следует увеличить до 5.1 …10 кОм;

п) практический пример коммутации высоковольтного напряжения 170 В при низком токе нагрузки при сопртивлении R_H не менее 27 кОм;

p) аналогично Рис. 2.68, н, но с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK; О

О Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (окончание):

с) транзисторы VT1 и кТ2работают в противофазе. Напряжение в нагрузку Л_н подаётся через транзистор VT2 и диод VD1, при этом транзистор VT1 должен быть закрыт ВЫСОКИМ уровнем с верхнего выхода MK. Чтобы снять напряжение с нагрузки, транзистор Г72закрывается ВЫСОКИМ уровнем с нижнего выхода MK, после чего транзистор VT1 открывается и через диод VD2 ускоренно разряжает ёмкость нагрузки. Достоинство — высокое быстродействие, возможность быстрой повторной подачи напряжения в нагрузку;

т) на MK подаётся «взвешенное» и отфильтрованное питание в диапазоне 4…4.5 В. Обеспечивают это гасящий стабилитрон VD1 и помехоподавляющий конденсатор C1. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК транзисторы K77, Г72закрыты, при НИЗКОМ — открыты. Максимально допустимый ток стабилитрона VD1 должен быть таким, чтобы он был больше суммы тока потребления MK, тока через резистор R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK и тока внешних цепей, если они подключены к MK по другим линиям портов;

у) видеоусилитель натранзисторах VT1 и VT2, которые включены по схеме Шиклаи (Sziklai). Это разновидность схемы Дарлингтона, но на транзисторах разной проводимости. Данная «парочка» эквивалентна одному транзистору структуры п—р—п со сверхвысоким коэффициентом усиления Л21Э. Диоды VD1, КД2защищаюттранзисторы от выбросов напряжения, проникающих извне по цепи ВЫх- Резистор R1 ограничивает ток при случайном коротком замыкании в кабеле, подстыкованном к внешней удалённой нагрузке 75 Ом.

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

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.

Ключ на полевом транзисторе своими руками

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: 1307)

Ключи на биполярных транзисторах | Основы электроакустики

В линейных схемах потенциал коллектора транзистора устанавливается таким, чтобы его величина находилась в пределах между напряжением питания +Е и напряжением на коллекторе в режиме насыщения U_{К НАС}. При этом усиление сигнала осуществляется в окрестности установленной рабочей точки.

Отличительной особенностью линейных схем является то, что величина входного сигнала остается настолько малой, что выходное напряжение линейно зависит от входного и не выходит за пределы верхней и нижней границ линейного участка характеристики, так как в противном случае появились бы заметные искажения сигнала.

В отличие от линейных схем цифровое схемы работают только в двух характерных рабочих состояниях. Эти состояния характеризуются тем, что выходное напряжение может быть либо больше некоторого заданного напряжения , либо меньше заданного напряжения  причем U_L < U_H. Если выходное напряжение превышает , то говорят, что схема находится в состоянии H (high – выcокий), если же оно меньше, чем  говорят, что она находится в состоянии L (low – низкий).

Величины уровней  и  зависят только от используемой схемотехники. Чтобы можно было однозначно интерпретировать выходной сигнал, уровни, лежащие между значениями  и , считаются запрещенными. Схемотехнические особенности, определяемые этими требованиями, рассмотрим на примере транзисторного ключа, представленного на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Транзисторный ключ

В схеме должны выполняться следующие условия:

U_ВЫХ ≥ U_H при U_УПР ≤ U_L,                       (15.1)

U_ВЫХ ≤ U_L при U_УПР ≥ U_H.                      (15.2)

Эти условия должны выполняться даже для самого неблагоприятного случая, т.е. U_ВЫХ не должно быть меньше, чем  при U_УПР=U_L, и U_ВЫХ не должно быть больше, чем  при U_УПР=U_H. Такие условия могут быть выполнены соответствующим выбором уровней  и , а также величин сопротивлений R_K и R_Б. Передаточная характеристика транзисторного ключа показана на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Передаточная характеристика ключа

Параллельный ключ. Применение биполярного транзистора в качестве параллельного ключа показано на рис. 15.3, а, б.

Рис. 15.3. Параллельный ключ на биполярном транзисторе:

a) прямое включение; б) инверсное включение

Чтобы транзисторная цепь была достаточно низкоомна, необходимо поддерживать ток базы в пределах нескольких миллиампер. Токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений; при этом остаточные напряжения, соответствующие I_К=0 или I_Э=0, будут малы.

Последовательный ключ. На рис. 15.4 представлена схема последовательного коммутатора, выполненная на биполярном транзисторе. Чтобы перевести этот транзистор в режим отсечки, необходимо приложить отрицательное управляющее напряжение. Оно должно быть по абсолютной величине большим, чем максимальное напряжение отсечки.

Рис. 15.4. Последовательный ключ на базе насыщенного эмиттерного повторителя

Чтобы открыть транзистор, на его вход надо подать управляющее напряжение большее, чем напряжение отсечки, на величину ΔU = I_БR_Б. При этом переход коллектор-база откроется, и транзистор будет работать как ключ в инверсном включении. Недостатком схемы является протекание базового тока I_Б транзистора через цепь источника входного сигнала. Чтобы это не сказывалось на работе схемы, внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть достаточно малым.

Если выполняется это условие, то схема оказывается пригодной и для положительного входного напряжения. При этом ток эмиттера I_Э открытого транзистора будет положителен, что уменьшает напряжение смещения. При определенном значении тока эмиттера I_Э оно может даже равняться нулю.

В этом режиме работы схема представляет собой насыщенный эмиттерный повторитель. Для управляющего напряжения, величина которого лежит в пределах от нуля до входного напряжения (0 < U_УПР < U_ВХ), она работает как эмиттерный повторитель сигнала управляющего сигнала. Это обстоятельство иллюстрируется передаточной характеристикой ключа для положительных входных напряжений, представленной на рис. 15.5.

Рис. 15.5. Передаточная характеристика для положительных входных напряжений

Последовательно-параллельный ключ. Если совместить насыщенный эмиттерный повторитель и параллельный ключ, получится последовательно-параллельный коммутатор, имеющий в обоих рабочих состояниях малое напряжение смещения. Недостатком его является необходимость наличия комплементарных управляющих сигналов. Более простое управление можно обеспечить, если применить изображенный на рис. 15.6 комплементарный эмиттерный повторитель, который работает в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого необходимо обеспечить    выполнение    следующих   условий   U_{УПР МАКС}>U_ВХ   и U_{УПР МИН}<0.

Благодаря низкому выходному сопротивлению в обоих режимах схема реализует высокую скорость коммутации выходного напряжения при 0 < U_ВЫХ < U_ВХ.

Рис. 15.6. Последовательно – параллельный ключ

Ключ на транзисторе | ESP32 Arduino

Теории здесь не будет — разбираются две проверенных и очень простых схемы с номиналами деталей которые я тестировал лично и применяю в своих самоделках. Работать они могут как с платами с «5V логикой» так с «3V логикой».

В данной схеме можно применять транзисторы IRL510 IRL530 IRL540

В данной схеме можно применять транзисторы IRL510 IRL530 IRL540

Первая схема собрана на MOSFET транзисторе IRL510. Буква L (логический) в маркировке означает, что данный транзистор будет прекрасно управляться стандартным напряжением, которое могут обеспечить выходы любых микроконтроллеров. (транзистор с маркировкой IRF в данную схему не подойдет коммутировать он конечно будет, но полноценно шиммить уже не выйдет). Принцип работы схемы простой: вывод платы Arduino подтягивает затвор MOSFET транзистора, либо к земле (ток не идет), либо к плюсу (ток идет).

Схема ключа обведена в красную рамку и состоит из трех деталей. Если PWM для управления мощной нагрузкой использовать не требуется — резистор сопротивление 4,7 кОм можно увеличить до 10 кОм. Кнопка включает/выключает нагрузку, переменный резистор регулирует яркость ламп с помощью PWM. При токе в 1,6А за 30 минут работы MOSFET был чуть теплый.

Код испытательного стенда

Код испытательного стенда

Цоколевка мосфет-транзистора и его технические характеристики

Цоколевка мосфет-транзистора и его технические характеристики

Иногда требуется коммутировать нагрузку с общим подключением к минусу. В этом случае можно собрать вот такую схему:

Транзисторный ключ с коммутацией нагрузки с общим минусом

Транзисторный ключ с коммутацией нагрузки с общим минусом

Когда с выхода микроконтроллера идет логический ноль, транзистор BC548 закрыт, вход MOSFET транзистора подтянут к плюсу источника питания через резистор 4,7 кОм, ток через нагрузку не идет. Если с выхода МК будет логическая 1 транзистор BC548 открывается, подтягивает затвор MOSFET транзистора к земле и через нагрузку начинает проходить ток.

Цоколевка деталей схемы

Цоколевка деталей схемы

Данная схема использовалась на протяжении нескольких лет в котокормушке (отключала сервопривод после поворота дозатора, так как тот имел не хорошее свойство постоянно гудеть даже когда не вращался).
Работу испытательного стенда можно посмотреть в этом видео:

Полный список статей доступен по этой ссылке

Купить Transistor CD KEY Сравнить цены

Что такое транзисторный CD-ключ?

Это цифровой ключ, который позволяет загружать Transistor прямо на ПК с официальных платформ.

Как я могу найти лучшие цены на транзисторные компакт-диски?

Allkeyshop.com сравнивает самые низкие цены на Transistor на рынке цифровых загрузок, чтобы найти лучшие распродажи и коды скидок в проверенных магазинах.

Разработчик

Супергигантские игры

Издатель

Супергигантские игры

Теги

Инди
Богатый сюжет
Отличный саундтрек
Научная фантастика
Киберпанк
Ролевой боевик
…
Женщина-протагонист

Transistor — это научно-фантастическая ролевая видеоигра 2014 года, разработанная и опубликованная Supergiant Games , которая доступна на всех платформах.

В отличие от других традиционных ролевых игр, Transistor представляет новую концепцию навыков для развлечения игроков, которые устали играть в типичные ролевые игры.Навыки и таланты проверяются, когда игрокам предлагается использовать ограниченные ресурсы для продвижения по игре.

С помощью транзистора противников намного сильнее и быстрее, чем персонаж, но герой использует навык под названием Поворот, который позволяет игрокам останавливать время и планировать предстоящие движения и атаки героя, а также выполнять их в быстрой последовательности для выполнения комбо.

История происходит в мирном месте, называемом Cloudbank , до тех пор, пока роботизированная сила, вызывающая Процесс, не атакует место, запечатывающее жителей в транзисторе . Игрок играет певца по имени Red , который проснулся от человека, раненного большим мечом по имени Транзистор.

Рэд скрывает голос в Транзисторе вместе с личностью мужчины, и теперь она пытается восстановить свой голос и раскрыть личность мужчины. Прежде чем преуспеть в достижении своих целей, ей нужно столкнуться с Процессом, которым управляет камера Camerata , который первым продвинется вперед.

Минимальные системные требования:

• ОС: Windows 7 32-разрядная
• Процессор: Intel Core 2 Duo 2.6 ГГц
• Оперативная память: 4 ГБ
• Жесткий диск: 3 ГБ

Купить транзисторный ключ Steam GLOBAL

Купить транзисторный ключ Steam GLOBAL | ENEBA

Если вы видите это сообщение, это означает, что JavaScript отключен в вашем браузере . Пожалуйста, включите JS, чтобы это приложение работало.

• Магазин
• Игры
  • Платформы
  • Жанр
  • Откройте для себя коллекцию
  • Откройте для себя по цене
  • Откройте для себя по популярности

• Подарочные карты
  • Список подарочных карт
  • Откройте для себя по популярности

• Игровые очки
  • Список игровых очков
  • Обнаружение по игре
  • Обнаружение по цене
  • Обнаружение по популярности

• Xbox
  • Список Xbox
  • Членство
  • Игры по цене
  • Откройте для себя игры по популярности

• PSN
  • Список PSN
  • Подарочные карты по популярности

• Nintendo
  • Список Nintendo
  • Подарочные карты по регионам
  • Членство от re gion

• Программное обеспечение

Транзистор

Описание игры

Жанр:

Работает на:

Языки:

Дата выпуска:

20 мая 2014 г.

Supergiant Разработчики

Games

Publisher

Supergiant Games

Системные требования:

WINDOWSMACLINUX

Минимальные системные требования

• Системные требования: 32-битная Windows 7
• Процессор: Двухъядерный ЦП — 2.6 ГГц
• Память: 4 ГБ ОЗУ
• Графика: 1 ГБ Видеопамять: Intel HD 3000 GPU / AMD HD 5450 / Nvidia 9400 GT
• Память: 3 ГБ дискового пространства

5,00

Превосходно!

На основе 1 рейтинг

Подробный рейтинг

Напишите отзыв первым!

ГеймплейИсторияГрафикаСаундтрекПросмотреть сейчас

Вам также могут понравиться

Heroes of Dark Dungeon Steam Key GLOBAL

Wild Terra Online Steam Key GLOBAL

Steam Key был мечтой GLOBAL

Первые предложения лучших игр

Copyright © Eneba.Все права защищены. ЗАО «Helis play», ул. Гинею 4-333, Вильнюс, Литовская Республика. Положения и условия, Политика конфиденциальности, Настройки файлов cookie.

Купить дешево Transistor cd key

GG.deals объединяет игровые ключи из более чем 40 магазинов цифровой дистрибуции, так что вы можете найти лучшие предложения на видеоигры . Все предложения уже включают скидки по ваучерам, чтобы сэкономить ваше время и деньги. Просмотрите историю цен игры, чтобы определить, насколько выгодна сделка по сравнению с исторически низкими предложениями.Если цена по-прежнему слишком высока, создайте оповещение о цене и получите уведомление по электронной почте, когда Transistor будет соответствовать вашему бюджету!

Активируется ли ключ Transistor cd в моем регионе?

Мы всегда стараемся, чтобы цена, отображаемая в нашем сравнении, была назначена правильным регионам. Однако некоторые магазины не сообщают информацию о региональных блокировках в своих фидах товаров, и это может приводить к очень редким ошибкам. Перед покупкой Transistor проверьте страницу магазина, чтобы узнать об ограничениях на активацию в вашем регионе.Если вы заметили какой-либо продукт, относящийся к неправильному региону на GG.deals, , свяжитесь с нами , и мы исправим список как можно скорее.

Смогу ли я сразу загрузить игру Transistor?

Все магазины, представленные на GG.deals, доставят вашу игру сразу после подтверждения оплаты. Это будет либо прямая загрузка, либо ключ ПК — в зависимости от выбранного вами магазина. После активации ключа на соответствующей платформе вы сможете бесплатно скачать и играть в свою игру.Если вы не знаете, как активировать ключ, ознакомьтесь с разделом руководств по внизу страницы.

Иногда некоторые магазины могут задерживать покупку для проверки вашего заказа вручную. Эти проверки предназначены для предотвращения мошенничества в магазине. Если ваш заказ выбран для ручной проверки, и вы не хотите ждать или предоставлять дополнительную информацию, вы всегда можете запросить отмену заказа и вернуть свои деньги.

Могу ли я получить бесплатный ключ Steam для транзисторов? Есть ли способ скачать Transistor бесплатно?

Если у вас мало денег и вы хотите получить Transistor бесплатно, есть несколько способов попробовать:

• Вы можете создать ценовое оповещение на GG.сделок и установите цену « бесплатно ». Такие магазины, как Humble Bundle или Indie Gala, часто раздают бесплатные ключи Steam в рекламных целях. В Epic Games Store также регулярно проводятся розыгрыши призов. Если есть способ получить Transistor бесплатно, вы узнаете об этом первым!
• GG.deals иногда организует розыгрыша призов , где вы можете выиграть хорошие игры за выполнение коротких заданий. Следите за этими розыгрышами и активно участвуйте, чтобы повысить шансы на выигрыш приза!

Даже если бесплатная загрузка Transistor недоступна, вы всегда можете сэкономить и получить ключ по минимально возможной цене с помощью GG.двигатель сравнения сделок.

Какой магазин транзисторов выбрать? В чем разница между официальными магазинами и магазинами ключей?

Цена — не единственный критерий, который следует учитывать при покупке компьютерных игр через GG.deals.

• При проверке предложений для транзистора убедитесь, что ключ активирован через DRM по вашему выбору. Вы найдете эту информацию на игровой карте в виде значка запуска. Например, если вы хотите получить Transistor Steam key и активировать его в Steam, выберите магазин, у которого есть значок Steam.
• Выбирайте между официальными магазинами и магазинами ключей. Официальные магазины продают ключи к играм в розницу, получая их напрямую через разработчика или издателя игры. Магазины ключей перепродают ключи от игр из неизвестных источников. Цены в магазинах с ключами часто ниже, чем в официальных магазинах, но здесь есть определенные риски, и покупка через неавторизованных реселлеров не окажет прямой поддержки разработчикам игр.

Основы транзисторов | DigiKey

Поразительно, но первый исправный Транзистор был заявлен 70 лет назад, 23 декабря 1947 года! ¹ Транзистор, вероятно, является одним из самых революционных компонентов, когда-либо изобретенных.Это привело к созданию интегральных схем, микропроцессоров и компьютерной памяти.

В этой статье мы обсудим следующие области;

(щелкните ссылку, чтобы перейти к любому разделу, который соответствует вашим потребностям)

Транзистор, также известный как BJT (Bipolar Junction Transistor), представляет собой полупроводниковое устройство, управляемое током, которое можно использовать для управления потоком электрического тока, в котором небольшое количество тока в выводе базы управляет большим током между коллектором. и эмиттер.Их можно использовать для усиления слабого сигнала в качестве генератора или переключателя.

Обычно они сделаны из кристалла кремния, в котором полупроводниковые слои типа N и P соединены между собой. См. Рисунок 1 ниже.

Рис. 1: На рис. 1а показан разрез 2N3904 TO-92, на котором видны выводы E — эмиттер, B — база и C — коллектор, подключенные к кремнию. Рисунок 1b взят из журнала Radio-Electronics Magazine ² за май 1958 года, на котором показаны срезы и устройства слоев типа N&P (в то время называемый германиевым материалом).

Транзисторы

герметично закрыты и заключены в пластиковый или металлический корпус с тремя выводами (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение размеров и различные популярные типы упаковки.

В качестве примера мы покажем, как работает транзистор NPN. Простой способ рассматривать его функцию как выключатель — это представить себе воду, протекающую через трубку, управляемую клапаном. Давление воды представляет собой «напряжение», а вода, протекающая по трубке, представляет собой «ток» (Рисунок 3).Большие трубки представляют собой соединение коллектор / эмиттер с клапаном между ними, выраженным на рисунке серым овалом, похожим на подвижную заслонку, которая приводится в действие током из маленькой трубки, представляющей Основание. Клапан предотвращает перетекание воды под давлением из коллектора в эмиттер. Когда вода протекает через меньшую трубку (основание), она открывает клапан между соединением коллектор / эмиттер, позволяя воде проходить через эмиттер и на землю (земля представляет собой возврат для всей воды или напряжения / тока).

Рисунок 3: Это графическое представление показывает, как работает транзистор. Когда вода протекает через меньшую трубку (основание), она открывает клапан между соединением коллектор / эмиттер, позволяя воде течь через эмиттер на землю.

Если вы хотите просто включить цепь или нагрузку, вам следует учесть некоторые вещи. Определите, хотите ли вы смещать или возбуждать транзисторный ключ положительным или отрицательным током (т.е. Тип NPN или PNP соответственно). Транзистор NPN управляется (или включается) положительным током, смещенным на базе, для управления током, протекающим от коллектора к эмиттеру. Транзисторы типа PNP управляются отрицательным током, смещенным на базе, для управления потоком от эмиттера к коллектору. (Обратите внимание, что полярность для PNP противоположна NPN.) См. Рисунок 4 ниже для получения более подробной информации.

Рисунок 4: Условные обозначения для каждого типа транзистора.

После определения напряжения смещения следующей необходимой переменной является величина напряжения и тока, которые требуются нагрузке для работы.Это будут минимальные номинальные значения напряжения и тока транзистора. В таблицах 1 и 2 ниже показаны некоторые популярные транзисторы и основные характеристики, включая их ограничения по напряжению и току.

Транзисторы, NPN и PNP, с выводами и поверхностным монтажом

Таблица 1.Популярные выводные и поверхностные транзисторы NPN и PNP.

Транзисторы, NPN и PNP, корпуса в металлических корпусах

Таблица 2.Популярные металлические корпуса могут быть упакованы на транзисторы NPN и PNP.

На рисунке 5 ниже показан пример схемы, которая включает переход коллектор-эмиттер путем подачи питания на базу или смещения транзистора для его включения путем подачи 5 вольт на базу с помощью ползункового переключателя. В этом примере загорается светодиод, который в данном случае является нагрузкой. При смещении базы требуется правильное использование резисторов для предотвращения перегрузки по току. Я использовал детали с выводами на макетной плате, чтобы проверить схему в моем примере. Большинство инженеров будут использовать компоненты для поверхностного монтажа (гораздо меньшего размера, чем корпус TO-92), когда дело доходит до использования транзисторов в новом продукте, выходящем на рынок.Вот ссылка, которая показывает различные размеры корпусов для 3904 транзисторов.

Поскольку 2N3904 является транзистором NPN, базе требуется положительное смещение (соответствующие уровни напряжения и сопротивления) для включения коллекторно-эмиттерного перехода для правильного протекания тока. Также важно использовать нагрузочный резистор (R1), чтобы не пропускать слишком большой ток через светодиод и транзистор. Для получения дополнительной информации об этом транзисторе см. Техническое описание 2N3904.

Рисунок 5: Пример схемы 2N3904 для зажигания светодиода с помощью ползункового переключателя EG1218, показывающего контакты C (коллектор), E (эмиттер) и B (база) (изображение на схеме).

На рисунке 6 показан пример схемы ночного освещения с использованием транзистора PNP. Чтобы увидеть подробную информацию об этой цепи, перейдите по ссылке на инженерный вики-сайт Digi-Key и выполните поиск по PNP Night Light.

Рисунок 6: Пример схемы ночного освещения 2N3906 для освещения светодиода с фотоэлементом PDV-P5003 (изображение на схеме it)

Как все началось? Эта кроличья нора идет очень глубоко; однако я начну с изобретения телефона. Многие будут спорить, кто действительно изобрел первый рабочий электрический прототип; однако первый патент был получен Александром Грэмом Беллом 7 марта ^-го , 1876 ³ , а позже он основал американскую телефонную и телеграфную компанию (также известную как AT&T).Примерно в 1894 г. истек срок действия патента ¹ Белла. Хотя AT&T доминировала на рынке телефонов до начала 1900-х годов, другие компании образовались и увели клиентов у AT&T. Из-за этого компания почувствовала необходимость продолжать доминировать и расширять свой рынок. В 1909 году президент AT&T Теодор Вейл ¹ хотел передавать телефонные звонки трансконтинентально (из Нью-Йорка в Калифорнию). Но для этого им нужен был хороший усилитель или ретранслятор, чтобы усилить сигналы, идущие на большие расстояния.Ранее, в 1906 году, Ли Де Форест позаимствовал идею Джона А. Флеминга (который позаимствовал работу у Томаса Эдисона и создал устройство на вакуумной лампе, называемое «колебательным клапаном», используемым для обнаружения радиоволн), модифицировал ее и создал Триод — неэффективная трехконтактная вакуумная лампа, которую можно использовать в качестве усилителя. В 1912 году Форест был приглашен Гарольдом Арнольдом из Western Electric Company (производитель AT&T), чтобы продемонстрировать свое изобретение. Хотя Триод Фореста работал при низких напряжениях, Арнольду требовалось, чтобы он работал при более высоких напряжениях, чтобы создать эффективные ретрансляторы для передачи голоса на большие расстояния.Арнольд считал, что может сделать триод лучше, поэтому нанял ученых, чтобы они поняли, как работает устройство и как его можно улучшить. В октябре 1913 года он добился успеха. Вскоре повсюду были проведены телефонные линии. Инвестиции, которые компания AT&T вложила в наем ведущих ученых на протяжении многих лет, заставили их понять, что глубокие исследования дадут им конкурентное преимущество перед их конкурентами, и в 1925 году они образовали Bell Telephone Laboratories.

Для поддержания работы телефонных линий потребовалось много тысяч электронных ламп и реле.Однако электронные лампы потребляли много энергии, были большими и часто перегорали. Получив понимание из технологических разработок кристалл-выпрямителя, используемого для работы радара во время Второй мировой войны, Мервин Келли, директор по исследованиям Bell, подозревал, что полупроводники (твердотельные устройства) могут быть ответом на создание устройства, которое может заменить дорогостоящие устройства. , ненадежные вакуумные лампы. Келли обратился к одному из блестящих физиков, Уильяму Шокли, чтобы объяснить свое видение улучшения компонентов, используемых для передачи голоса по проводам.Келли выразил свои чувства, что он был бы рад, когда шумные механические реле и энергоемкие электронные лампы когда-нибудь будут заменены твердотельными электронными устройствами. Это действительно понравилось Шокли и стало его основной целью. Келли поручила Шокли найти способ добиться этого.

Он был блестящим теоретиком, но не очень хорошо конструировал свои идеи. Шокли предпринял несколько попыток доказать свою идею о полевом переносе электронов для соединения двух сторон полупроводника путем подачи энергии на пластину над полупроводниками.Он был неудачным. Разочарованный, он обратился к двум другим физикам из Bell labs, Джону Бардину (блестящему в теории электронов в полупроводниках) и Уолтеру Браттейну (отлично разбирающемуся в прототипах и использовании лабораторного оборудования). Они стали частью его команды. Шокли позволил двойной команде работать самостоятельно. За прошедшие годы было предпринято много попыток получить работу с полевым эффектом, но это так и не удалось. Они просмотрели свои расчеты, и теоретически это должно было сработать. Думая нестандартно, Бардин и Браттейн экспериментировали с тонкими пластинками кремния и германия, пытаясь заставить работать эффект поля.Осенью 1947 года появились признаки прогресса, поскольку у Браттейна возникли проблемы с конденсацией воды, оседающей на поверхности полупроводника. Вместо того, чтобы сушить его, он поместил каплю воды поверх кремния, подал напряжение на пластину над ней и заметил усиливающий эффект. Капля воды помогла преодолеть поверхностный барьер, который помог создать поток электронов, но он был медленным и не мог чисто усилить голосовые сигналы, необходимые для успешной передачи голоса.

В декабре 1947 года (отмеченном как Месяц Чудеса) они подумали об устранении эффекта разрыва поля, удалении воды и создании золотого контакта, касающегося полупроводника. Они перешли на германий, с которым в то время было легче работать, и изолировали его тонкой оксидной пленкой, которая естественным образом образуется на германии. Многие тесты прошли безуспешно. Затем в середине декабря, по-видимому, случайно, Уолтер Браттейн случайно смыл оксидное покрытие, сделав контакт золотом прямо с германием! Бинго !!! Он обнаружил хорошее усиление, и транзистор был исправен.Вместо того, чтобы притягивать электроны к поверхности полупроводника, как это предполагалось в идее эффекта поля Шокли, Браттейн / Бардин обнаружили, что, соприкасаясь с полупроводником с золотым контактом, они вводят дырки в полупроводник, позволяя течь электричеству. Примерно в середине декабря 1947 года без ведома Шокли они приступили к созданию действующего прототипа. Браттейн собрал прибор в форме пластикового треугольника с золотой фольгой по скошенным краям и проделал в острие треугольника тонкий, как бритва, разрез.Это был крайне примитивный прототип. Они использовали скрепку, сделанную в виде пружины, чтобы вдавить треугольник в тонкий германиевый полупроводник поверх тонкой медной пластины, где было два вывода — по одному на каждом конце треугольника. Медная пластина под пластиной германия служила, если хотите, выводом 3 ^rd (рис. 7). В итоге его назвали точечным контактным транзистором.

Браттейн и Бардин позвонили Шокли, чтобы сообщить ему хорошие новости. То, что я исследовал, говорит о том, что у Шокли были смешанные эмоции, он был рад, что это было функционально, но разочарован тем, что он не создал это напрямую.Демонстрация для боссов Шокли произошла через неделю после того, как они ее обнаружили, 23 декабря ^-го, , 1947 г. (об этом было публично объявлено 30 июня 1948 г.). Позже в то время была сделана фотография для истории (рис. 8). Шокли знал, что изготовить хрупкий точечный контактный транзистор будет непросто, и был поглощен попытками сделать его лучше (самостоятельно). Шокли лихорадочно работал, пытаясь решить проблему по-своему… документируя свои мысли о попытках сделать ее более интегрированной за счет наслоения полупроводниковых материалов вместе.Для завершения теории патента на переходный транзистор (подана 25 июня ^{-го года} , 1948 г.) потребовалось гораздо больше исследований. Функциональный транзистор с n-p-n переходом был продемонстрирован 20 апреля ^{-го года} , 1950 г. (стало возможным благодаря работе Гордона Тила и Моргана Спаркса). Подробности всего этого гораздо глубже, чем вы можете представить. ⁴ .

Нобелевская премия за изобретение транзисторного эффекта была вручена Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну 10 декабря 1956 года.

Рисунок 7. Точечно-контактный транзистор (повторно используется с разрешения Nokia Corporation)

Рис. 8: Джон Бардин (слева), Уильям Шокли (в центре) и Уолтер Браттейн (справа). (Используется повторно с разрешения Nokia Corporation)

1. Риордан, Майкл и Лилиан Ходдсон. 1997. Хрустальный огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века. Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Райдер, Р. 1958. «Десять лет транзисторам», Radio-Electronics Magazine, май, стр. 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. «АЛЕКСАНДР ГРЭМ БЕЛЛ». Проверено 19 декабря, 2017.

.

4. Риордан, Майкл, Лилиан Ходдсон и Коньерс Херринг. 1999. «Изобретение транзистора», Modern Physics , Vol 71, No. 2: Centenary.

Дополнительную информацию можно найти по адресу: http://www.pbs.org/transistor/

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Транзистор в качестве переключателя — Использование транзисторного переключения

При использовании в качестве усилителя сигнала переменного тока напряжение смещения базы транзисторов прикладывается таким образом, что оно всегда работает в своей «активной» области, то есть используется линейная часть кривых выходных характеристик.

Тем не менее, биполярные транзисторы типа NPN и PNP можно заставить работать как твердотельный переключатель типа «ВКЛ / ВЫКЛ», смещая вывод базы транзистора иначе, чем в усилителе сигнала.

Твердотельные переключатели — одно из основных применений транзисторов для переключения выхода постоянного тока в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ». Некоторым устройствам вывода, таким как светодиоды, требуется всего несколько миллиампер при напряжении постоянного тока логического уровня, и поэтому они могут управляться непосредственно выходом логического элемента. Однако мощным устройствам, таким как двигатели, соленоиды или лампы, часто требуется больше энергии, чем от обычного логического элемента, поэтому используются транзисторные переключатели.

Если в схеме используется биполярный транзистор в качестве переключателя , то смещение транзистора, NPN или PNP, настраивается так, чтобы управлять транзистором по обе стороны кривых «ВАХ», которые мы видели ранее.

Рабочие области транзисторного переключателя известны как область насыщения и область отсечки . Это означает, что мы можем игнорировать рабочую схему смещения точки Q и делителя напряжения, необходимую для усиления, и использовать транзистор в качестве переключателя, перемещая его вперед и назад между его положениями «полностью выключено» (отсечка) и «полностью отключено». ON ”(насыщенность), как показано ниже.

Операционные регионы

Розовая заштрихованная область внизу кривых представляет область «отсечки», а синяя область слева представляет область «насыщения» транзистора.Обе эти области транзистора определены как:

1. Обрезка

Здесь рабочими условиями транзистора являются нулевой входной базовый ток (I _B ), нулевой выходной ток коллектора (I _C ) и максимальное напряжение коллектора (V _CE ), что приводит к образованию большого обедненного слоя и отсутствию тока. протекает через устройство. Поэтому транзистор полностью выключен.

Характеристики отсечки

Затем мы можем определить «область отсечки» или «режим выключения» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, когда оба перехода смещены в обратном направлении, V _B <0.7v и I _C = 0. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть отрицательным по отношению к базе.

2. Область насыщенности

Здесь транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока, что приведет к максимальному току коллектора, что приведет к минимальному падению напряжения на коллектор-эмиттер, в результате чего слой обеднения будет как можно меньшим, а через транзистор будет протекать максимальный ток. Поэтому транзистор включен «полностью».

Характеристики насыщенности

Затем мы можем определить «область насыщения» или «режим включения» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, когда оба перехода смещены в прямом направлении, V _B > 0.7v и I _C = Максимум. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть положительным по отношению к базе.

Тогда транзистор работает как «однополюсный однопозиционный» (SPST) твердотельный переключатель. Когда нулевой сигнал подается на базу транзистора, он выключается, действуя как разомкнутый переключатель, и течет нулевой ток коллектора. При подаче положительного сигнала на базу транзистора он включается, действуя как замкнутый переключатель, и через устройство протекает максимальный ток цепи.

Самый простой способ переключения мощности от умеренной до высокой — использовать транзистор с выходом с открытым коллектором и вывод эмиттера транзистора, подключенный непосредственно к земле. При таком использовании выход с открытым коллектором транзистора может, таким образом, «сливать» подаваемое извне напряжение на землю, тем самым контролируя любую подключенную нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя, используемого для управления реле, приведен ниже. При индуктивных нагрузках, таких как реле или соленоиды, диод маховика помещается поперек нагрузки для рассеивания обратной ЭДС, генерируемой индуктивной нагрузкой, когда транзистор переключается в положение «ВЫКЛ», и таким образом защищает транзистор от повреждения.Если нагрузка имеет очень высокий ток или напряжение, например двигатели, нагреватели и т. Д., То ток нагрузки можно контролировать с помощью подходящего реле, как показано на рисунке.

Базовая схема переключения транзисторов NPN

Схема напоминает схему с общим эмиттером , которую мы рассматривали в предыдущих руководствах. Разница на этот раз в том, что для работы транзистора в качестве переключателя транзистор должен быть либо полностью выключен (отключен), либо полностью включен (насыщен).Идеальный транзисторный переключатель имел бы бесконечное сопротивление цепи между коллектором и эмиттером, когда он был полностью выключен, что приводило к нулевому току, протекающему через него, и нулевому сопротивлению между коллектором и эмиттером, когда он был полностью включен, что давало максимальный ток.

На практике, когда транзистор выключен, через транзистор протекают небольшие токи утечки, а когда он полностью включен, устройство имеет низкое значение сопротивления, вызывая небольшое напряжение насыщения (V _CE ) на нем.Несмотря на то, что транзистор не является идеальным переключателем, как в области отсечки, так и в области насыщения мощность, рассеиваемая транзистором, минимальна.

Для протекания тока базы необходимо сделать входную клемму базы более положительной, чем у эмиттера, увеличив ее выше 0,7 В, необходимых для кремниевого устройства. Изменяя это напряжение база-эмиттер V _BE , также изменяется базовый ток, который, в свою очередь, регулирует величину тока коллектора, протекающего через транзистор, как обсуждалось ранее.

Когда протекает максимальный ток коллектора, транзистор считается насыщенным . Величина базового резистора определяет, какое входное напряжение требуется и соответствующий базовый ток для полного включения транзистора.

Транзистор как пример переключателя №1

Используя значения транзисторов из предыдущих руководств: β = 200, Ic = 4 мА и Ib = 20 мкА, найдите значение базового резистора (Rb), необходимое для полного включения нагрузки, когда напряжение на входных клеммах превышает 2.5в.

Следующее наименьшее предпочтительное значение: 82 кОм, это гарантирует, что транзисторный ключ всегда находится в состоянии насыщения.

Транзистор как пример переключателя No2

Опять же, используя те же значения, найдите минимальный базовый ток, необходимый для включения транзистора «полностью» (насыщение) для нагрузки, которая требует тока 200 мА при увеличении входного напряжения до 5,0 В. Также рассчитайте новое значение Rb.

Ток базы транзистора:

Сопротивление базы транзистора:

Транзисторные переключатели

используются для широкого спектра приложений, таких как сопряжение устройств с большим током или высоким напряжением, таких как двигатели, реле или лампы, с низковольтными цифровыми ИС или логическими вентилями, такими как вентили И или вентили ИЛИ.Здесь выходной сигнал цифрового логического элемента составляет всего + 5 В, но управляемому устройству может потребоваться питание 12 или даже 24 В. Или для нагрузки, такой как двигатель постоянного тока, может потребоваться регулирование скорости с помощью серии импульсов (широтно-импульсная модуляция). Транзисторные переключатели позволят нам сделать это быстрее и проще, чем с обычными механическими переключателями.

Цифровой логический транзисторный переключатель

Базовый резистор Rb необходим для ограничения выходного тока логического элемента.

Транзисторный переключатель PNP

Мы также можем использовать транзисторы PNP в качестве переключателя, разница на этот раз в том, что нагрузка подключена к земле (0 В), а транзистор PNP переключает на нее питание. Чтобы включить транзистор PNP, работающий как переключатель, клемма базы подключается к земле или к нулевому напряжению (LOW), как показано.

Схема переключения транзистора PNP

Уравнения для расчета сопротивления базы, тока коллектора и напряжений точно такие же, как и для предыдущего транзисторного переключателя NPN.На этот раз разница в том, что мы переключаем мощность с помощью транзистора PNP (ток источника) вместо переключения заземления с помощью транзистора NPN (ток стока).

Транзисторный переключатель Дарлингтона

Иногда усиление постоянного тока биполярного транзистора слишком мало для прямого переключения тока или напряжения нагрузки, поэтому используются несколько переключающих транзисторов. Здесь один маленький входной транзистор используется для включения или выключения гораздо большего выходного транзистора управления током. Чтобы максимизировать усиление сигнала, два транзистора соединены в «Конфигурации комплементарного усиления» или, что чаще называют «Конфигурация Дарлингтона », где коэффициент усиления является произведением двух отдельных транзисторов.

Транзисторы Дарлингтона просто содержат два отдельных биполярных транзистора типа NPN или PNP, соединенных вместе, так что коэффициент усиления по току первого транзистора умножается на коэффициент усиления по току второго транзистора, чтобы создать устройство, которое действует как один транзистор с очень высокий коэффициент усиления по току для гораздо меньшего тока базы. Общий коэффициент усиления по току Beta (β) или значение hfe устройства Дарлингтона является произведением двух отдельных коэффициентов усиления транзисторов и дается как:

Таким образом, транзисторы Дарлингтона с очень высокими значениями β и большими токами коллектора возможны по сравнению с одним транзисторным переключателем.Например, если первый входной транзистор имеет коэффициент усиления по току 100, а второй переключающий транзистор имеет коэффициент усиления по току 50, то общий коэффициент усиления по току будет 100 * 50 = 5000. Так, например, если ток нагрузки сверху равен 200 мА. , то базовый ток Дарлингтона составляет всего 200 мА / 5000 = 40 мкА. Значительное снижение по сравнению с предыдущим 1 мА для одного транзистора.

Ниже приведены примеры двух основных типов транзисторов Дарлингтона.

Конфигурации транзисторов Дарлингтона

Вышеупомянутая конфигурация транзисторного переключателя NPN Дарлингтона показывает коллекторы двух транзисторов, соединенных вместе с эмиттером первого транзистора, подключенным к клемме базы второго транзистора, поэтому ток эмиттера первого транзистора становится током базы второго транзистора. переключив его в положение «ВКЛ».

Первый или «входной» транзистор принимает входной сигнал на свою базу. Этот транзистор усиливает его обычным образом и использует его для управления вторыми более крупными «выходными» транзисторами. Второй транзистор снова усиливает сигнал, что дает очень высокий коэффициент усиления по току. Одной из основных характеристик транзисторов Дарлингтона является их высокий коэффициент усиления по току по сравнению с одиночными биполярными транзисторами.

Помимо высоких возможностей переключения тока и напряжения, еще одним преимуществом «транзисторного переключателя Дарлингтона» является его высокая скорость переключения, что делает его идеальным для использования в инверторных цепях, цепях освещения и в системах управления двигателями постоянного тока или шаговыми двигателями.

Одно отличие, которое следует учитывать при использовании транзисторов Дарлингтона по сравнению с обычными одинарными биполярными типами при использовании транзистора в качестве переключателя, заключается в том, что входное напряжение база-эмиттер (V _BE ) должно быть выше примерно на 1,4 В для кремниевых устройств из-за последовательное соединение двух PN-переходов.

Транзистор как переключатель Краткое описание

Затем, чтобы подвести итог, при использовании транзистора в качестве коммутатора применяются следующие условия:

• Транзисторные переключатели могут использоваться для переключения и управления лампами, реле или даже двигателями.
• При использовании биполярного транзистора в качестве переключателя они должны быть либо «полностью выключены», либо «полностью включены».

Говорят, что транзисторы

• , которые полностью включены, находятся в области насыщенности .

Говорят, что транзисторы

• , которые полностью выключены, находятся в области отсечки .
• При использовании транзистора в качестве переключателя небольшой ток базы управляет гораздо большим током нагрузки коллектора.
• При использовании транзисторов для переключения индуктивных нагрузок, таких как реле и соленоиды, используется «диод маховика».
• Когда необходимо контролировать большие токи или напряжения, можно использовать транзисторы Дарлингтона .

В следующем руководстве о транзисторах мы рассмотрим работу переходного полевого транзистора, известного как JFET. Мы также построим кривые выходных характеристик, обычно связанные со схемами усилителя JFET, в зависимости от напряжения источника и напряжения затвора.

Маскировка ключевого компьютерного чипа от хакеров с новым дизайном транзистора

Четыре транзистора на этом чипе были построены из 2D-материала, который скрывает их от хакеров.Предоставлено: фотография Университета Пердью / Джон Андервуд

.

Хакер может воспроизвести схему на микросхеме, обнаружив, что ключевые транзисторы делают в схеме, но не в том случае, если «тип» транзистора не определяется.

Инженеры

Purdue University продемонстрировали способ скрыть, какой транзистор является каким, построив их из листового материала, называемого черным фосфором. Эта встроенная мера безопасности не позволит хакерам получить достаточно информации о схеме для ее обратного проектирования.

Результаты представлены в статье, опубликованной 7 декабря 2020 года в журнале Nature Electronics .

Микросхемы обратного инжиниринга

— обычная практика — как для хакеров, так и для компаний, расследующих нарушения интеллектуальной собственности. Исследователи также разрабатывают методы получения рентгеновских изображений, которые не потребовали бы фактического прикосновения к чипу для его реинжиниринга.

Подход, продемонстрированный исследователями Purdue, повысит безопасность на более фундаментальном уровне.От того, как производители микросхем решат сделать эту транзисторную конструкцию совместимой со своими процессами, будет зависеть доступность этого уровня безопасности.

Микросхема выполняет вычисления, используя в цепи миллионы транзисторов. Когда подается напряжение, два разных типа транзисторов — тип N и тип P — выполняют вычисления. Репликация чипа начнется с идентификации этих транзисторов.

«Эти два типа транзисторов являются ключевыми, поскольку они выполняют разные функции в цепи.Они лежат в основе всего, что происходит на всех наших микросхемах », — сказали Йорг Аппенцеллер, Барри М. из Purdue и профессор электротехники и вычислительной техники Патриция Л. Эпштейн. «Но поскольку они совершенно разные, правильные инструменты могут их четко идентифицировать, позволяя вернуться назад, выяснить, что делает каждый отдельный компонент схемы, а затем воспроизвести микросхему».

Если бы эти два типа транзисторов оказались идентичными при проверке, хакер не смог бы воспроизвести микросхему путем обратного проектирования схемы.

Команда

Аппенцеллера показала в своем исследовании, что маскировка транзисторов путем изготовления их из такого материала, как черный фосфор, делает невозможным определение того, какой транзистор является каким. Когда напряжение переключает тип транзисторов, они кажутся хакеру совершенно одинаковыми.

Хотя маскировка уже является мерой безопасности, которую используют производители микросхем, она обычно выполняется на уровне схемы и не пытается скрыть функциональность отдельных транзисторов, оставляя микросхему потенциально уязвимой для методов обратного инжиниринга с использованием подходящих инструментов.

Метод маскировки, который продемонстрировала команда Аппенцеллера, заключался в встраивании ключа безопасности в транзисторы.

«Наш подход заставит транзисторы типа N и P выглядеть одинаково на фундаментальном уровне. «Невозможно отличить их, не зная ключа», — сказал Пэн Ву, доктор философии Purdue. студент кафедры электротехники и вычислительной техники, построивший и испытавший прототип микросхемы с транзисторами на основе черного фосфора в Центре нанотехнологий Бирка в парке открытий Пердью.

Даже производитель микросхемы не сможет извлечь этот ключ после того, как микросхема будет изготовлена.

«Вы могли бы украсть чип, но у вас не было бы ключа», — сказал Аппенцеллер.

Современные методы маскировки всегда требуют большего количества транзисторов, чтобы скрыть то, что происходит в цепи. Но для того, чтобы скрыть тип транзистора с помощью такого материала, как черный фосфор — материала толщиной с атом — требуется меньше транзисторов, занимая меньше места и энергии в дополнение к созданию лучшей маскировки, говорят исследователи.

Идея скрыть тип транзистора для защиты интеллектуальной собственности чипа изначально возникла из теории профессора Университета Нотр-Дам Шарон Ху и ее сотрудников. Как правило, транзисторы типа N и P отталкивают от того, как они пропускают ток. Транзисторы N-типа переносят ток, транспортируя электроны, в то время как транзисторы P-типа используют отсутствие электронов, называемых дырками.

Группа Аппенцеллера поняла, что черный фосфор настолько тонкий, что он может обеспечить перенос электронов и дырок на аналогичном уровне тока, благодаря чему два типа транзисторов кажутся в основном одинаковыми согласно предложению Ху.

Затем группа

Аппенцеллера экспериментально продемонстрировала маскирующие свойства транзисторов на основе черного фосфора. Эти транзисторы, как известно, работают при низких напряжениях компьютерных микросхем при комнатной температуре из-за их меньшей мертвой зоны для переноса электронов, описываемой как небольшая «запрещенная зона».

Но, несмотря на преимущества черного фосфора, промышленность по производству микросхем, скорее всего, будет использовать другой материал для достижения этого маскирующего эффекта.

«Промышленность начинает рассматривать ультратонкие 2D-материалы, потому что они позволят разместить на кристалле больше транзисторов, что сделает их более мощными.Черный фосфор слишком летуч, чтобы быть совместимым с современными технологиями обработки, но экспериментальная демонстрация того, как может работать 2D-материал, является шагом к пониманию того, как реализовать эту меру безопасности », — сказал Аппенцеллер.

Ссылка: «Двумерные транзисторы с изменяемой полярностью для безопасных схем» Пэн Ву, Даяне Рейс, Сяобо Шарон Ху и Йорг Аппенцеллер, 7 декабря 2020 г., Nature Electronics .
DOI: 10.1038 / s41928-020-00511-7

Работа финансируется Институтом инноваций Индианы и Lilly Endowment, Inc.

Инженеры

разработали транзистор, который скрывает ключевые аппаратные средства компьютерных микросхем от хакеров

Хакер может воспроизвести схему на микросхеме, обнаружив, что ключевые транзисторы делают в схеме, но не в том случае, если «тип» транзистора не определяется.

Университет Пердью фото / Джон Андервуд

Инженеры

Purdue University продемонстрировали способ скрыть, какой транзистор является каким, построив их из листового материала, называемого черным фосфором.Эта встроенная мера безопасности не позволит хакерам получить достаточно информации о схеме для ее обратного проектирования.

Микросхемы обратного инжиниринга

— обычная практика — как для хакеров, так и для компаний, расследующих нарушения интеллектуальной собственности. Исследователи также разрабатывают методы получения рентгеновских изображений, которые не потребовали бы фактического прикосновения к чипу для его реинжиниринга.

Подход, продемонстрированный исследователями Purdue, повысит безопасность на более фундаментальном уровне.От того, как производители микросхем решат сделать эту транзисторную конструкцию совместимой со своими процессами, будет зависеть доступность этого уровня безопасности.

Как обмануть хакера?

Микросхема выполняет вычисления, используя в цепи миллионы транзисторов. Когда подается напряжение, два разных типа транзисторов — тип N и тип P — выполняют вычисления. Репликация чипа начнется с идентификации этих транзисторов.

«Эти два типа транзисторов являются ключевыми, поскольку они выполняют разные функции в цепи.Они лежат в основе всего, что происходит на всех наших микросхемах », — сказали Йорг Аппенцеллер, Барри М. из Purdue и профессор электротехники и вычислительной техники Патриция Л. Эпштейн.

«Но поскольку они совершенно разные, правильные инструменты могут четко идентифицировать их, позволяя вернуться назад, выяснить, что делает каждый отдельный компонент схемы, а затем воспроизвести микросхему».

Если бы эти два типа транзисторов оказались идентичными при проверке, хакер не смог бы воспроизвести микросхему путем обратного проектирования схемы.

Команда

Аппенцеллера показала в своем исследовании, что маскировка транзисторов путем изготовления их из такого материала, как черный фосфор, делает невозможным определение того, какой транзистор является каким. Когда напряжение переключает тип транзисторов, они кажутся хакеру совершенно одинаковыми.

Встраивание ключа безопасности в транзисторы

Хотя маскировка уже является мерой безопасности, которую используют производители микросхем, она обычно выполняется на уровне схемы и не пытается скрыть функциональность отдельных транзисторов, оставляя микросхему потенциально уязвимой для методов обратного инжиниринга с использованием подходящих инструментов.

Метод маскировки, который продемонстрировала команда Аппенцеллера, заключался в встраивании ключа безопасности в транзисторы.

«Наш подход заставит транзисторы типа N и P выглядеть одинаково на фундаментальном уровне. «Невозможно отличить их, не зная ключа», — сказал Пэн Ву, доктор философии Purdue. студент кафедры электротехники и вычислительной техники, построивший и испытавший прототип микросхемы с транзисторами на основе черного фосфора в Центре нанотехнологий Бирка в парке открытий Пердью.

Даже производитель микросхемы не сможет извлечь этот ключ после того, как микросхема будет изготовлена.

«Вы могли бы украсть чип, но у вас не было бы ключа», — сказал Аппенцеллер.

Современные методы маскировки всегда требуют большего количества транзисторов, чтобы скрыть то, что происходит в цепи. Но для того, чтобы скрыть тип транзистора с помощью такого материала, как черный фосфор — материала толщиной с атом — требуется меньше транзисторов, занимая меньше места и энергии в дополнение к созданию лучшей маскировки, говорят исследователи.

Идея скрыть тип транзистора для защиты интеллектуальной собственности чипа изначально возникла из теории профессора Университета Нотр-Дам Шарон Ху и ее сотрудников.

Что отличает транзисторы типа N и P?

Как правило, транзисторы типа N и P выделяют то, как они пропускают ток. Транзисторы N-типа переносят ток, транспортируя электроны, в то время как транзисторы P-типа используют отсутствие электронов, называемых дырками.

Группа Аппенцеллера поняла, что черный фосфор настолько тонкий, что он может обеспечить перенос электронов и дырок на аналогичном уровне тока, благодаря чему два типа транзисторов кажутся в основном одинаковыми согласно предложению Ху.

Затем группа

Аппенцеллера экспериментально продемонстрировала маскирующие свойства транзисторов на основе черного фосфора. Эти транзисторы, как известно, работают при низких напряжениях компьютерных микросхем при комнатной температуре из-за их меньшей мертвой зоны для переноса электронов, описываемой как небольшая «запрещенная зона».

Но, несмотря на преимущества черного фосфора, промышленность по производству микросхем, скорее всего, будет использовать другой материал для достижения этого маскирующего эффекта.

«Промышленность начинает рассматривать ультратонкие 2D-материалы, потому что они позволят разместить на кристалле больше транзисторов, что сделает их более мощными.Черный фосфор слишком летуч, чтобы быть совместимым с современными технологиями обработки, но экспериментальная демонстрация того, как может работать 2D-материал, является шагом к пониманию того, как реализовать эту меру безопасности », — сказал Аппенцеллер.

.