Npn транзистор в ключевом режиме: Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

Содержание

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_R_б и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_R_б:

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

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

klyuch
Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор I_К прямо пропорционален току базы I_Б и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R_б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h_21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

U_pit – напряжение питания,

R_К – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление базового резистора R_б:

U_вх – напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях: насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора, когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде блуждающих токов, да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление R_БЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В. Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.

Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Pnp транзистор в режиме ключа

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.

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

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

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

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

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

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

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

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

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

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

Биполярный транзистор в ключевом режиме работы — Меандр — занимательная электроника

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 показана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для наглядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти всех схем с биполярными транзисторами характерно, что напряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение ²>IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напряжение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет такой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реально можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еледует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяется к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенциал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзисторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полностью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень неприятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не надо — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротивление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как указано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот резистор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «земле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают — даже в очень интересной во всех отношениях книге [16] повсеместно встречается эта ошибка.

Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к питанию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой книге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распространенные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвертирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигналу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеется — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертирует сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному режиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлингтона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру самостоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэффициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до нескольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обязательно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение между базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величину от обычного транзистора — то есть 1,2—1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных транзисторов может составлять несколько килоом.

Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема параллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допустимого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естественно, не происходит— суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов — Студопедия

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 4.3 — Ключевая схема на транзисторе и графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рисунке 4.3, а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R_K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а — б по постоянному току (рисунок 4.3, б).

Линия нагрузки описывается соотношением U_кэ = − (Е_к− I_кR_к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U_вх > 0), указанной на рисунке 4.3, а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ> 0) и его ток I_э = 0. Вместе с тем через резистор R_б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I_к0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка М_з (см. рисунок 4.3, б).

Протекание через нагрузку теплового тока I_к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_к от источника питания. Малое значение I_к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U_{вх. з}_an выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор R_б тепловом токе было обеспечено выполнение условия:

U_бэ= U_{вх. з}_an − I_к0R_б> 0.

Напряжение U_6э для германиевых транзисторов составляет 0,5…2,0 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх< 0) и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точка М_о на линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при U_вх< 0 ток базы I_б увеличивается постепенно. Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения М_з вверх по линии нагрузки. Напряжение U_кэ транзистора при этом постепенно уменьшается. До некоторого граничного значения тока базы I_б.гр сохраняется известная пропорциональная зависимость между I_к и I_б:

I_к= β_стI_б + (1 + β_ст) I_к0≈ β_ст I_б,

(4.1)

где β_ст — статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ (а не дифференциальный коэффициент β, действительный для малого входного сигнала). Точка М_о при токе базы I_б.гр характеризует «полное» открытие транзистора. Через транзистор и резистор R_к протекает ток

I_к= (E_к− ΔU_{кэ.откр}) / R_к,

где ΔU_{кэ.откр}— падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение ΔU_{кэ.откр}, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжение ΔU_{кэ.откр} лежит в пределах 0,05…1,0 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока I_к открытого транзистора проводится по формуле:

I_к= E_к/ R_к.

С учетом формулы (4.1) находят граничное значение тока базы I_{б. гр} открытого транзистора, при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы:

I_{б. гр}= I_к/ β_ст = E_к/(β_стR_к).

Таким образом, точка М_о на рисунке 4.3, б представляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора при I_б = I_б.гр.

При дальнейшем увеличении тока базы (I_б> I_{б. гр}) остаточное напряжение ΔU_{кэ..откр}остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора при I_б> I_{б. гр} практически проходят через точку М_о на рисунке 4.3, б. Режим работы открытого транзистора при I_б> I_{б. гр} называют насыщенным, а отношение S = I_б/I_{б. гр} — коэффициентом насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки М_о не зависит от изменения коэффициента передачи тока β_ст транзистора, в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

где коэффициент S для надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5…3,0. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

I_б= (U_вх− U_бэ) / R_б.

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рисунок 4.4, а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

На интервале t₀— t₁, когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжением U_вх..зап положительной полярности. Токи I_б, I_к определяются тепловым током транзистора I_к₀ (рисунок 4.4, б, в). Напряжение на транзисторе U_кэ= – (Е_к – I_к₀R_к) (рисунок 4.4, г).

С момента времени t₁ (cм. рисунок 4.4, а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярности U_вх.отп. Это сопровождается изменением тока i_к и напряжения u_кэ транзистора (рисунок 4.4, в, г). Как видно из диаграмм, характер трансформирования i_к и u_кэ при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения

а — входной импульс напряжения; б — ток базы; в — ток коллектора;г — напряжение на коллекторе

Рисунок 4.4 — Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастании тока i_к и уменьшении напряжения u_кэ. В первом приближении можно принять, что изменения i_к(t) и u_кэ(t) происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времени τ_В = τ_β + τ_к в предположении τ_к = _к(э)R_к, где _к(э) — интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой I_б.отп≈ U_вх.отп/ R_б> I_б.гр (см. рисунок 4.4, б), то вызванный им ток i_к(t) будет изменяться по закону:

(4.2)

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к β_ст I_б.отп > E_к/ R_к (см. рисунок 4.4, в). Однако, достигнув предельного значения I_к≈ E_к/ R_к, ток i_к в дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульса i_к заканчивается. Положив в формуле (4.2) i_к = I_к, находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

(4.3)

С учетом того, что I_к/β_ст = I_{б гр} , а I_б.отп /I_{б гр}= S имеем:

(4.4)

Из соотношения (4.4) следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту S соответствует больший отпирающий базовый ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, при τ_В = 5 мкс и S = 3 получаем t_ф = 2,03 мкс. При S = 1 (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (4.4) не может быть использовано для определения t_ф. В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (4.2): t_ф = τ_В ln 0,9/0,1 = 2,2 τ_В.

Характер изменения u_кэ(t) при отпирании транзистора (см. рисунок 4.4, г) подчиняется зависимости u_кэ(t) = –Е_к + i_к(t) R_к.

В момент времени t_З действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжение U_вх.зап(см. рисунок 4.4, а). При этом ток коллектора и напряжение u_кэ в течение некоторого времени остаются неизменными, а транзистор по прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что до момента времени t_З транзистор находился в режиме насыщения и при поступлении запирающего сигнала ток коллектора еще поддерживается уходящими из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе — возрастать (см. рисунок 4.4, в, г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного тока I_б.обр, вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлением R_б входной цепи: I_б.обр≈ U_вх.зап/R_б.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания t_р (см. рисунок 4.4, в). Это время пропорционально коэффициенту насыщения S. Следующий затем интервал спадания тока i_к определяет время заднего фронта (среза) t_с коллекторного тока.

При определении t_p и t_c необходимо решать уравнение, описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс, протекающий в транзисторе после момента времени t₃, выражается через токи транзистора в следующем виде:

(4.5)

где τ_β‘ — эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньше постоянной времени τ_β, действительной для активного режима (τ_β‘ ≈ τ_β/2). Выражение (4.5) является уравнением экспоненциальной кривой, показанной в интервале t₃ — t₄ пунктиром (см. рисунок 4.4, в).

Положив в выражении (4.5) i_к = I_к ≈ E_к/R_к = β_ст I_б.гр, находим

(4.6)

При U_вх.отп= 0 ток I_б.обр= 0 и t_p = τ_β‘ ln S.

После выхода транзистора из насыщения ток i_к(t) уменьшается от значения I_к, также стремясь к β_ст I_б.гр (рисунок 4.4, в), т. е.

(4.7)

Положив в формуле (4.7) i_к = 0, получаем, что

(4.8)

Длительности t_ф, t_p, t_c характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (4.3), (4.6), (4.8), они зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа п-р-п. По построению и характеру работы ключевая схема на таком транзисторе аналогична схеме рисунка 4.3, а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питания Е_к и отпирающего напряжения U_вх.отп, а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа п-р-п, имеют довольно малый тепловой ток I_к0. Влияние тока I_к0 в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо при U_вх.зап = U_бэ = 0. Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество — возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.

КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА — Студопедия

При работе транзистора в ключевом режиме, он находится в двух характерных состояниях: включено (замкнут ключ) и выключено (разомкнут).

Электронные ключи используют в схемах для коммутации электрических цепей различного назначения (подключение нагрузки к источнику питания, изменение ее значения, или отключение). В отличие от механических переключателей транзисторные ключи обладают следующими достоинствами:

1. высокое быстродействие

2. переключение цепей без разрыва

3. низкий уровень излучаемых помех

4. высокая надежность и долговечность

При работе в ключевом режиме необходимо:

1. в проводящем состоянии сопротивление участка коллектор-эмиттер было минимальным R_кэ=min

2. а в проводящем – максимальным.

Недостаток – сохранение остаточного напряжения на включенном (насыщенном ) транзисторе и тока в выключенном транзисторе (в режиме отсечки), т.е. неполное включение и отключение нагрузки.

Наиболее широкое применение в качестве ключевых элементов находят транзисторные каскады с ОЭ.

На семействе выходных характеристик транзистора строим нагрузочную линию, пересекающую оси координат в точках (U_кэ=E_k; I_k=0) и (U_кэ=0; I_r=E_k/R_k).

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях:

1. Состояние (режим) отсечки («ключ разомкнут»)

При этом через транзистор протекает минимальный ток. Это состояние соответствует точке А на диаграмме.

I_k=I_кб0 ≈0 – неуправляемый обратный ток коллектора, создавая а нем небольшое падение напряжения.

U_кэ._p ≈ E_к-I_кб0∙R_к≈ Е_к.

Условие отсечки – смещение в обратном направлении электрического перехода:

U_бэ < U_бэ.пор; для n-p-n U_бэ ≤0.

Мощность, теряемая в режиме отсечки, P_к=I_к ∙R_к≈0 мала, т.к. I_k=I_кб0 ≈0.

2. Состояние (режим) насыщения («ключ замкнут»)

На транзисторе минимальное напряжение U_кэ = U_кэ.нас ≈ 0 соответствует точке В на диаграмме.

Ток через транзистор ограничен резистором R_ки определяется

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжения между электродами транзистора малы.

Условие обеспечения режима насыщения:

Дальнейшее увеличение тока базы I_б > I_б.насне изменяет тока в коллекторной цепи.

Мощность в режиме насыщения: P_к=I_к ∙R_к=0, т.к. ≈ 0.

Напряжение U_кэ.нас. приводится в справочниках. Для ключей следует выбирать транзистор с малым значением U_кэ.нас. << Е_к.

Пример. Параметры транзистора : = 40 ; I_кб0≤ 10 мкА ; = 10 В ; Е_см= -2 В ; R_к= 0,1 Ом. При U_вх=0 транзистор отключен; при U_вх≥ 7 В – включен. Определить R₁ и R₂.

1)Режим отсечки:

Напряжение отсечки создается Е_сми I_кб0

Условие отсечки ≤ 0 , откуда R₂ ≤ 200 кОм.

Выбираем R₂ = 100 кОм.

2)Режим насыщения:

Ток базы: , откуда

= 1,39 кОм. Выбираем R₁=1,3 кОм.

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!

Radartutorial

npn- Работа транзистора

Прямо смещенный pn-переход сопоставим с элементом схемы с низким сопротивлением.
потому что он пропускает большой ток при заданном напряжении. В свою очередь, обратносмещенный
pn-переход сравним с высокоомным элементом схемы.
Используя формулу закона Ома для мощности (P = I ² · R)
и если ток остается постоянным, можно сделать вывод, что мощность, развиваемая через высокое сопротивление
больше, чем при низком сопротивлении.Таким образом, если бы кристалл содержал два
pn-переходы (один с прямым смещением, а другой с обратным смещением), маломощный сигнал
может быть введен в переход с прямым смещением и генерировать мощный сигнал на обратном смещении
соединение. Таким образом можно получить усиление мощности на кристалле.
Эта концепция, которая является просто продолжением материала, рассмотренного в предыдущих темах,
это основная теория усиления транзистора. С этой свежей информацией в памяти,
перейдем непосредственно к npn-транзистору.

коллектор

база

излучатель

прямое смещение

Рисунок 1: Прямо смещенный переход в npn-транзисторе

коллектор

база

излучатель

прямое смещение

Рисунок 1: Прямо смещенный переход в npn-транзисторе

Как и в случае диода pn-перехода, материал n-типа
состоящий из двух концевых секций npn-транзистора, содержит ряд свободных электронов,
в то время как центральная секция p содержит избыточное количество отверстий.Действие на каждом стыке между
эти разделы такие же, как и ранее описанные для
диод;
то есть развиваются области истощения и появляется переходной барьер. Чтобы использовать транзистор в качестве усилителя,
каждый из этих переходов должен быть модифицирован некоторым внешним напряжением смещения. Для транзистора
чтобы функционировать в этом качестве, первый pn-переход (переход эмиттер-база) смещен в
прямое направление или направление с низким сопротивлением. В то же время второй pn-переход
(переход база-коллектор) смещен в обратном или высокоомном направлении.Буквы этих
элементы указывают, какую полярность напряжения использовать для правильного смещения.
Например, обратите внимание на транзистор npn, показанный на рисунке 2:

Эмиттер, который является первой буквой в последовательности n pn, подключен к
n типичная сторона батареи, а основание, которое является второй буквой (n p n),
подключается к положительной стороне p . Однако, поскольку второй pn-переход
требуется обратное смещение для правильной работы транзистора, коллектор должен быть подключен
к напряжению противоположной полярности (положительному), чем указано в его буквенном обозначении (npn).Напряжение на коллекторе также должно быть более положительным, чем на базе, как показано рядом:

Теперь у нас есть нормально смещенный npn-транзистор.

Таким образом, база npn-транзистора должна быть положительной относительно
к эмиттеру, а коллектор должен быть положительнее базы.

коллектор

база

излучатель

обратное смещение

прямое смещение

Рисунок 2: Переходы в npn-транзисторе.

коллектор

база

излучатель

обратное смещение

прямое смещение

Рисунок 2: Переходы в npn-транзисторе.

переход npn с прямым смещением

Важный момент, который нужно отметить в это время, который не обязательно упоминался во время
объяснение диода, это тот факт, что n-материал
на одной стороне перехода с прямым смещением более сильно легирован, чем материал p.Это приводит к тому, что через переход переносится больший ток электронами основных носителей заряда.
из n-материала, чем большинство несущих отверстий из p-материала.
Следовательно, проводимость через смещенный в прямом направлении переход, как показано на рисунке 3,
В основном это электроны-носители из n-материала (эмиттера).

отверстие потока

электронный поток

Bild 3: Strom durch den pn- Übergang in Durchlasspolung

отверстие потока

электронный поток

Bild 3: Strom durch den pn- Übergang in Durchlasspolung

Когда переход эмиттер-база на рисунке смещен в прямом направлении,
электроны покидают отрицательную клемму батареи и попадают в материал n-типа (эмиттер).Поскольку электроны являются основными носителями тока в n-материале, они легко проходят через
эмиттер, пересеките переход и совместите с отверстиями в материале p (основание). За
с каждым электроном, заполняющим дырку в материале p, другой электрон покидает
p материала (создавая новое отверстие) и введите положительный полюс батареи.

npn-переход с обратным смещением

коллектор

база

излучатель

обратный
смещенный
переход

отверстие потока

электрон
поток

Рисунок 4: Обратно-смещенный переход в npn-транзисторе.

коллектор

база

излучатель

обратный
смещенный
переход

отверстие потока

электрон
поток

Рисунок 4: Обратно-смещенный переход в npn-транзисторе.

Второй pn-переход (база-коллектор), или
соединение с обратным смещением, как его называют (рисунок 4), блокирует основной ток
перевозчики от пересечения перекрестка. Однако есть очень слабый ток,
что действительно проходит через этот перекресток.Этот ток называется током меньшинства или обратным.
текущий. Как вы помните, этот ток создавался электронно-дырочными парами. В
неосновными носителями для обратносмещенного pn-перехода являются
электроны в p-материале и дырки в n-материале.
Эти неосновные носители фактически проводят ток для перехода с обратным смещением, когда
электроны из материала p входят в материал n, а дырки
из n-материала войдите в p-материал.
Однако неосновные электроны тока играют наиболее важную роль в работе.
транзистора npn.

взаимодействие npn-перехода

Батареи смещения на рисунке 5 имеют маркировку V _CC для коллектора.
напряжение питания, и V _BB для источника напряжения базы. Также обратите внимание на базу
Батарея питания довольно мала, на что указывает количество ячеек в батарее, обычно
1 вольт или меньше. Однако запас коллектора обычно намного выше базового.
питание, обычно около 6 вольт. Эта разница в напряжениях питания необходима для
есть ток от эмиттера к коллектору.

коллектор

база

излучатель

обратное
смещение

вперед
смещение

отверстие потока

электрон
поток

В _BB

В _CC

Рисунок 5: Работа npn-транзистора в основном является действием относительно
небольшое напряжение смещения эмиттер-база, управляющее относительно большим током эмиттер-коллектор.

коллектор

база

излучатель

обратное
смещение

вперед
смещение

отверстие потока

электрон
поток

В _BB

В _CC

Рисунок 5: Работа npn-транзистора — это, в основном, действие относительно
небольшое напряжение смещения эмиттер-база, управляющее относительно большим током эмиттер-коллектор.

Ток во внешней цепи всегда связан с
движение свободных электронов. Следовательно, электроны текут с отрицательных выводов
подавать батареи к эмиттеру n-типа. Это комбинированное движение электронов известно как эмиттер.
ток (I _E). Поскольку электроны являются основными носителями в n-материале,
они будут двигаться через эмиттер из n-материала к переходу эмиттер-база. С этим
переход смещен вперед, электроны продолжают движение в основную область.Как только электроны
находятся в основе, которая представляет собой материал p-типа, они становятся неосновными носителями. Некоторые из
электроны, которые движутся в базу, рекомбинируют с доступными дырками. Для каждого электрона
который рекомбинирует, другой электрон движется через вывод базы как ток базы I _B
(создавая новое отверстие для возможной комбинации) и возвращается к базовой аккумуляторной батарее V.

Электроны, которые рекомбинируют, теряются на коллекторе.
Поэтому, чтобы сделать транзистор более эффективным, базовая область сделана очень тонкой и
слегка допированный.Это уменьшает возможность рекомбинации электрона с дыркой и
Потерянный. Таким образом, большинство электронов, которые перемещаются в базовую область, попадают под
влияние обратного смещения большого коллектора. Это смещение действует как смещение вперед для
неосновных носителей (электронов) в базе и, как таковые, ускоряет их через
переход база-коллектор и далее в коллекторную область. Поскольку коллектор изготовлен из
материал n-типа, электроны, которые достигают коллектора, снова становятся большинством
текущие носители.Попадая в коллектор, электроны легко проходят через
n материала и возврат к плюсовой клемме коллекторной аккумуляторной батареи V _CC
как ток коллектора (I _C).

Для дальнейшего повышения КПД транзистора выполнен коллектор
физически больше, чем база, по двум причинам: (1) для увеличения шансов собрать
носители, которые диффундируют в сторону, а также непосредственно через основную область, и (2) к
позвольте коллектору обрабатывать больше тепла без повреждений.

Рисунок 6: Полный ток, протекающий через npn-транзистор

Таким образом, полный ток в npn-транзисторе проходит через вывод эмиттера.
Следовательно, в процентном отношении I _E — это 100 процентов. С другой стороны, поскольку
база очень тонкая и слегка легированная, меньший процент от общего тока
(ток эмиттера) будет течь в цепи базы, чем в цепи коллектора.Обычно нет
от 2 до 5 процентов общего тока составляет базовый ток (I _B), в то время как
оставшиеся от 95 до 98 процентов — ток коллектора (I _C). Очень простые отношения
существует между этими двумя токами:

I _E = I _B + I _C

Простыми словами это означает, что ток эмиттера разделен на базовый и
коллекторный ток. Поскольку количество тока, выходящего из эмиттера, является исключительно функцией
смещение эмиттер-база, и поскольку коллектор принимает большую часть этого тока, небольшой
изменение смещения эмиттер-база будет иметь гораздо большее влияние на величину коллектора.
тока, чем он будет иметь на основе текущего.В заключение, относительно небольшой
Смещение эмиттер-база управляет относительно большим током эмиттер-коллектор.

.Пара / конфигурация транзисторов Дарлингтона

: работа, применение и примеры

Транзистор Дарлингтона был изобретен в 1953 году американским инженером-электриком и изобретателем Сидни Дарлингтоном. В транзисторе
Дарлингтона используются два стандартных транзистора BJT (биполярный переходный транзистор) , которые соединены вместе. Транзистор Дарлингтона подключен в конфигурации, в которой один из эмиттеров транзистора подает ток смещения на базу другого транзистора.

Пара транзисторов Дарлингтона и ее конфигурация:

Если мы увидим символ транзистора Дарлингтона, мы можем ясно увидеть, как два транзистора соединены.На изображениях ниже показаны два типа транзисторов Дарлингтона. С левой стороны это NPN Darlington , а с другой стороны — PNP Darlington . Мы видим, что NPN Darlington состоит из двух транзисторов NPN, а PNP Darlington состоит из двух транзисторов PNP. Эмиттер первого транзистора напрямую подключен к базе другого транзистора, также коллекторы двух транзисторов соединены вместе. Эта конфигурация используется как для NPN, так и для PNP транзисторов Дарлингтона.В этой конфигурации пара транзисторов Дарлингтона дает гораздо более высокий коэффициент усиления и большие возможности усиления.

Нормальный BJT-транзистор (NPN или PNP) может работать между двумя состояниями: ВКЛ и ВЫКЛ . Нам нужно подать ток на базу, которая управляет током коллектора . Когда мы обеспечиваем достаточный ток на базу, BJT переходит в режим насыщения, и ток течет от коллектора к эмиттеру.Этот ток коллектора прямо пропорционален базовому току . Отношение тока базы к току коллектора называется коэффициентом усиления по току транзистора , который обозначается как Beta ( β) . В типичном BJT-транзисторе коэффициент усиления по току ограничен в зависимости от спецификации транзистора. Но в некоторых случаях приложению требуется большее усиление по току, которое не может обеспечить один транзистор BJT. Пара Дарлингтона идеально подходит для приложений, где требуется усиление по высокому току .

Перекрестная конфигурация:

Однако конфигурация, показанная на изображении выше, использует либо два PNP, либо два NPN, есть и другие конфигурации Дарлингтона, или также доступна перекрестная конфигурация, где PNP используется с NPN, или NPN используется с PNP. Этот тип перекрестной конфигурации называется парной конфигурацией Sziklai Darlington или конфигурацией Push-Pull .

На изображении выше показаны пары Sziklai Darlington .Эта конфигурация производит на меньше тепла и имеет преимущества около времени отклика . Об этом мы поговорим позже. Он используется для усилителя класса AB или там, где необходимы топологии Push-Pull.

Вот несколько проектов , где мы использовали транзисторы Дарлингтона :

Расчет коэффициента усиления пары транзисторов Дарлингтона:

На изображении ниже мы видим, что два транзистора PNP или два NPN соединены вместе.

Общий прирост тока пары Дарлингтона составит —

  Коэффициент усиления по току (hFE) = коэффициент усиления первого транзистора (hFE ₁) * коэффициент усиления второго транзистора (hFE ₂)

На изображении выше два транзистора NPN создают конфигурацию Дарлингтона NPN. Два NPN-транзистора T1 и T2 соединены вместе в том порядке, в котором соединены коллекторы T1 и T2 .Первый транзистор T1 обеспечивает требуемый базовый ток (IB2) на базу второго транзистора T2 . Итак, базовый ток IB1 , который управляет T1, управляет текущим потоком на базе T2 ’ с.

Итак, общий прирост по току ( β ) достигается, когда ток коллектора равен

  β * IB как hFE = fFE ₁ * hFE ₂

Поскольку два коллектора транзистора соединены вместе, общий ток коллектора (IC) = IC1 + IC2

Теперь, как обсуждалось выше, мы получаем ток коллектора β * IB ₁

В этой ситуации текущий коэффициент усиления равен единице или больше единицы .

Давайте посмотрим, как коэффициент усиления по току является умножением коэффициента усиления по току двух транзисторов .

IB2 управляется током эмиттера T1 , который равен IE1 . IE1 напрямую подключен к T2 . Итак, IB2 и IE1 одинаковы.

  IB2 = IE1 .

Мы можем изменить это отношение дальше с помощью

  IC ₁ + IB ₁

Изменяя IC1, как мы делали ранее, получаем

  β ₁ IB ₁ + IB ₁ 
  IB ₁ (β ₁ + 1)

Как и раньше, мы видели, что

  IC = β ₁ IB ₁ + β ₂ IB ₂ 
  As, IB2 или IE2 = IB1 (β1 + 1)
IC = β ₁ IB ₁ + β   ₂   IB   ₁   (β1 + 1) 
  IC = β ₁ IB ₁ + β   ₂   IB   ₁   β ₁ + β   ₂   IB   ₁ 
IC = { β ₁ + (β ₁ + β   ₂  ) + β   ₂  }

Итак, полный ток коллектора IC является комбинационным усилением отдельных транзисторов.

Транзистор Дарлингтона Пример:

Нагрузку 60 Вт с входным напряжением 15 В необходимо переключить с помощью двух NPN-транзисторов, создавая пару Дарлингтона. Коэффициент усиления первого транзистора будет 30 , а коэффициент усиления второго транзистора будет 95 . Рассчитаем базовый ток для переключения нагрузки.

Как известно, при включении нагрузки ток коллектора будет равен току нагрузки .Согласно степенному закону, ток коллектора (IC) или ток нагрузки (IL) будет

  I _L = I _C = Мощность / Напряжение = 60/15 = 4 А

Поскольку коэффициент усиления по току базы для первого транзистора будет 30 , а для второго транзистора будет 95 (β1 = 30 и β2 = 95), мы можем рассчитать базовый ток по следующему уравнению —

Итак, если мы применим 1.3 мА тока на базе первого транзистора, нагрузка переключит « на », и если мы подадим ток 0 мА или заземлено базу, нагрузка будет переключена « ВЫКЛ ».

Применение транзистора Дарлингтона

:

Применение транзистора Дарлингтона такое же, как и у обычного BJT-транзистора.

На изображении выше NPN-транзистор Дарлингтона используется для переключения нагрузки.Нагрузка может быть любой, от индуктивной до резистивной. Резистор базы R1 обеспечивает ток базы для транзистора Дарлингтона NPN. Резистор R2 предназначен для ограничения тока нагрузки. Это применимо для определенных нагрузок, которым требуется ограничение тока для стабильной работы. Поскольку пример показывает, что базовый ток требуется очень мало, его можно легко переключить с микроконтроллера или модулей цифровой логики. Но , когда пара Дарлингтона находится в области насыщения или полностью исправна, возникает падение напряжения на базе и эмиттере.Это главный недостаток пары Дарлингтона . Падение напряжения колеблется от 0,3 В до 1,2 В. Из-за этого падения напряжения транзистор Дарлингтона нагревается, когда он полностью включен и подает ток на нагрузку. Кроме того, из-за конфигурации второй резистор включается первым резистором, транзистор Дарлингтона дает более медленное время отклика . В таком случае конфигурация Sziklai обеспечивает преимущество по времени отклика и тепловым характеристикам.

Популярный NPN-транзистор Дарлингтона — BC517 .

Согласно таблице BC517 , на приведенном выше графике показано усиление по постоянному току BC517. Три кривые, снизу вверх, соответственно, предоставляют информацию о температуре окружающей среды . Если мы видим кривую температуры окружающей среды 25 градусов , усиление постоянного тока будет максимальным, когда ток коллектора составляет около 150 мА .

Что такое идентичный транзистор Дарлингтона?

Идентичный транзистор Дарлингтона имеет две идентичные пары с точно такими же характеристиками с одинаковым коэффициентом усиления по току для каждой.Это означает, что коэффициент усиления по току первого транзистора β1 такой же, как коэффициент усиления по току второго транзистора β2.

Используя формулу тока коллектора, коэффициент усиления по току идентичного транзистора будет равен —

  IC = {{  β   1 + (  β2 *   β1  ) +   β   2} * IB} 
  IC = {{  β   1 + (  β2 *   β1  ) +   β   1} * IB} 
  β ² = IB / IC

Текущий прирост будет намного выше.Примеры пар Дарлингтона NPN — это TIP120, TIP121, TIP122, BC517, а примерами пар Дарлингтона PNP являются BC516, BC878 и TIP125.

Микросхема транзистора Дарлингтона:

Пара

Дарлингтона позволяет пользователям управлять большим количеством мощных приложений с помощью источника тока в несколько миллиампер от микроконтроллера или источников слабого тока.

ULN2003 — это микросхема, широко используемая в электронике, которая обеспечивает сильноточные матрицы Дарлингтона с семью выходами с открытым коллектором.Семейство ULN состоит из ULN2002A, ULN2003A, ULN2004A , трех различных вариантов в нескольких вариантах комплектации. ULN2003 — широко используемый вариант в серии ULN. Это устройство включает в себя подавляющих диодов внутри интегральной схемы, что является дополнительной функцией для управления индуктивной нагрузкой с его использованием.

Это внутренняя структура микросхемы ULN2003. Это 16-контактный дип-пакет. Как мы видим, входной и выходной штырьки полностью противоположны, что упрощает подключение микросхемы и упрощает дизайн печатной платы.

Доступно семь выводов с открытым коллектором. Также доступен один дополнительный вывод, который полезен для приложений, связанных с индуктивной нагрузкой, это могут быть двигатели, соленоиды, реле, которым требуются обратные диоды, мы можем выполнить соединение, используя этот вывод.

Входные контакты совместимы с TTL или CMOS , с другой стороны, выходные контакты способны принимать большие токи. Согласно таблице данных, пары Дарлингтона способны потреблять 500 мА тока и могут выдерживать пиковый ток 600 мА .

На верхнем изображении показано фактическое соединение массива Дарлингтона для каждого драйвера. Он используется в семи драйверах, каждый драйвер состоит из этой схемы.

Когда входные контакты ULN2003 , от контакта 1 до контакта 7, имеют высокий уровень, на выходе будет низкий уровень , и он будет пропускать через него ток. И когда мы предоставим Low на входном контакте, выход будет в состоянии высокого импеданса , и он не будет потреблять ток.Контакт используется для диода свободного хода ; он всегда должен быть подключен к VCC при переключении любой индуктивной нагрузки с использованием серии ULN . Мы также можем управлять более текущими приложениями, подключив параллельно две пары входов и выходов, например, мы можем соединить контакт 1 с контактом 2 , а с другой стороны, можем подключить контакт 16 и 15 и параллельно две пары Дарлингтона для управления более высокими токовыми нагрузками.

ULN2003 также используется для управления шаговыми двигателями с микроконтроллерами.

Переключение двигателя с помощью ULN2003 IC:

В этом видео двигатель подключен через выходной контакт с открытым коллектором, с другой стороны, вход, мы обеспечиваем ток приблизительно 500 нА (0,5 мА) и контролируем ток 380 мА через двигатель. Таким образом, малой величины базового тока может управлять более высоким током коллектора в транзисторе Дарлингтона.

Кроме того, поскольку используется двигатель , , контакт 9 подключен к VCC для обеспечения защиты от свободного хода .

Резистор обеспечивает низкое сопротивление , делая вход LOW , когда ток не идет от источника, что делает выходным высоким сопротивлением , останавливая двигатель. Обратное произойдет, когда на входной вывод подается дополнительный ток.

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное

Любимый

Приложения I: Коммутаторы

Одно из самых фундаментальных применений транзистора — использовать его для управления потоком энергии к другой части схемы — используя его в качестве электрического переключателя. Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными строительными блоками; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем.Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе превышает 0,6 В (или какое бы там значение у вашего транзистора V _th), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0,6 В, транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это выглядит как разрыв цепи между C и E.

Схема выше называется переключателем нижнего уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи.В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Как и в схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и коммутатор на основе NPN, но есть одно огромное отличие: чтобы включить нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (V _CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V _E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа.Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить переключатель , потому что V _B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V _E.

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем в прямом направлении диод база-эмиттер, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток. Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе .Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток, но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током . Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ.

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот схема транзистора, которая реализует инвертор , или НЕ вентиль:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером.Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V _{CE (sat)} ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

(На самом деле это фундаментальная конфигурация транзисторов, называемая общим эмиттером . Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с двумя входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если какой-либо из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то на выходе схемы также высокий уровень.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню.Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост — это транзисторная схема, способная приводить двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост — это комбинация четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

Вход A	Вход B	Выход A	Выход B	Направление двигателя
0	0	1	1	Остановлено (торможение)	1	0	По часовой стрелке
1	0	0	1	Против часовой стрелки
1	1	0	(торможение) Осцилляторы Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы. Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов. Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора попеременно включаются и выключаются. Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы конденсаторов и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V _CC), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого: Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1. Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4. Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2. На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону. Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2. Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1. Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, с которого начали. Иногда бывает трудно осознать. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь. Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора: Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду. Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров! ← Предыдущая страница Режимы работы . Навигация по записям Предыдущая запись: Как работает тепловое реле: устройство и принцип действия, характеристики, схема подключения к магнитному пускателю Следующая запись: Магнитомягкие материалы для радиочастот: Классификация магнитомягких материалов по химическому составу alexxlab Посмотреть все записи автора alexxlab → Вам также может понравиться Просадка или посадка напряжения как правильно: Посадка или просадка напряжения как правильно 19.05.197022.07.2021 Как перекрыть газ в квартире в какую сторону: Как перекрыть газ в квартире 19.10.201828.09.2020 Формы квитанций по оплате коммунальных услуг: Квитанция на оплату коммунальных услуг 10.02.197319.01.2022 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Генератор Разное Советы Турбина Электростанции Энергия 2024 © Все права защищены.

Вход A

Вход B

Выход A

Выход B

Направление двигателя

Остановлено (торможение)

По часовой стрелке

Против часовой стрелки

(торможение)

Осцилляторы

Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора попеременно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы конденсаторов и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V _CC), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4.
Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, с которого начали.

Иногда бывает трудно осознать. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.

Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!

← Предыдущая страница
Режимы работы

alexxlab

Посмотреть все записи автора alexxlab →

Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

Как работает транзисторный ключ

Входная статическая характеристика

Расчет транзисторного ключа

Порядок расчета

Еще статьи по данной теме

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Принцип работы трназистора

Расчёт ключевой схемы

Pnp транзистор в режиме ключа

С чего все начиналось

Транзисторный ключ

Условия для работы транзисторного ключа

Базовая схема транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на практике

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Заключение

Рекомендуем к прочтению

Биполярный транзистор в ключевом режиме работы — Меандр — занимательная электроника

Ключевой режим работы биполярных транзисторов — Студопедия

КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА — Студопедия

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Radartutorial

npn- Работа транзистора

переход npn с прямым смещением

npn-переход с обратным смещением

взаимодействие npn-перехода

: работа, применение и примеры

Пара транзисторов Дарлингтона и ее конфигурация:

Расчет коэффициента усиления пары транзисторов Дарлингтона:

Транзистор Дарлингтона Пример:

:

Что такое идентичный транзистор Дарлингтона?

Микросхема транзистора Дарлингтона:

Переключение двигателя с помощью ULN2003 IC:

транзисторов — learn.sparkfun.com

Приложения I: Коммутаторы

Транзисторный переключатель

Базовые резисторы!

Цифровая логика

Инвертор

И Ворота

OR Выход

Н-образный мост

Осцилляторы

alexxlab

Вам также может понравиться

Просадка или посадка напряжения как правильно: Посадка или просадка напряжения как правильно

Как перекрыть газ в квартире в какую сторону: Как перекрыть газ в квартире

Формы квитанций по оплате коммунальных услуг: Квитанция на оплату коммунальных услуг

Добавить комментарий Отменить ответ