Схема транзисторного ключа: 3. Транзисторные ключи

Ключи на биполярных транзисторах: схемы, диаграммы, принцип работы

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств и часто сопровождается пересмотром использующихся схемотехнических решений.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и при конструировании устройств информативной электроники.

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напряжения (рис. 3.7) уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при q_нac = 3; чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину qнаc выбирают из диапазона 1,5 … 2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8).

Через u_{бэ.порог} обозначено пороговое напряжение между базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение u_{бэ.порог} соответствует току базы, в 10 раз меньшему тока i_{б.нас.мин}. Через i_{к.порог} обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению u_{бэ.порог}. Интервал t₁…t₂ называют интервалом задержки включения, интервал t₂….t₃ — интервалом формирования фронта, а интервал t₃…t₄ — интервалом накопления заряда. Разность t₃ − t₁ называют временем включения.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора iк.нас, величиной β транзистора, а также временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллектора на рассматриваемом интервале мал.

Указанное явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Однако не следует забывать, что барьерные емкости, как и диффузионные, являются по определению дифференциальными емкостями. Поэтому к термину «перезаряд» следует относиться с осторожностью.

Например, если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это не означает, что некомпенсированный заряд в области эмиттерного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости равен нулю при нулевом напряжении). К концу интервала задержки напряжение между базой и эмиттером увеличивается до значения u_{бэ.парог}.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей.

Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полупроводникового диода и явления диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта t_ф.

На интервале накопления заряда продолжается накопление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение u_кэнезначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интервалов времени:

t₁ … t₂ — рассасывания заряда;

t₂ … t₃ — формирования спада;

t₃ … t₄ — установления.

Разность t₃ − t₁ называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором R_б. Если пренебречь напряжением u_бэ, то i_б = − U₂ / R_б

На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания t_pac. Чем больше по модулю ток i_б, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток i_к значительно уменьшается, а напряжение на коллекторном переходе и напряжение u_кэ

значительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе приводит к изменению объемных нескомпенсированых зарядов в области этого перехода (говорят, что барьерная коллекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение u_бэ изменяется от величины u_{бэ.порог}  до −U₂. При этом изменяются нескомпенсированные объемные заряды переходов транзистора.

После момента времени t₃ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов транзисторных ключей настоятельно рекомендуется выполнить с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процессы при самых сложных входных сигналах.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Ранее для расчета переходных процессов в транзисторных ключах применялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.

Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения нежелательно, так как это удлиняет время выключения. Аналогично время выключения можно уменьшить, увеличивая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, который увеличивает положительную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа поясняют временные диаграммы. Подобные схемы широко используются на практике.

Транзисторный выключатель питания. Логические схемы на переключателях тока Переключение двух ламп 12в на транзисторах схема

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

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р-n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Насыщение ключа

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

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

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

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

Быстродействие

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах Поэтому в них применяются специальные где есть управляющий р-n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

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

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

Пример работы

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

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

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

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

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

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

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

7) Определяем базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

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

Сенсорный включатель – очень простая схема, которая состоит всего их двух транзисторов и нескольких радиоэлементов.

Сенсор – sensor – с англ. яз.
– чувствительный или воспринимающий элемент. Данная схема позволяет подавать напряжение в нагрузку, прикоснувшись пальчиком к сенсору. В данном случае сенсором у нас будет проводок, идущий от базы . Итак, рассмотрим схемку:

Рабочее напряжение схемы 4-5 Вольт. Можно чуток и больше.

Схема ну очень простая. На мм
макетной плате она будет выглядеть примерно вот так:

Желтый проводок от базы транзистора КТ315, который находится в воздухе, у нас будет сенсором.

Кто не помнит, где эмиттер, коллектор и база, ниже на фото показана цоколевка (расположение выводов) транзистора КТ361 (слева) и транзистора КТ315 (справа) . КТ361 и КТ315 различаются расположением буквы. У КТ361 эта буква находится посередине, а у КТ315 слева. Какая там буква – без разницы. В данном случае буква “Г” значит используются транзисторы КТ361Г и КТ315Г

В моем же случае я использовал транзисторы КТ315Б (ну что под руку попалось).

Вот видео работы этой схемы:

А что если с помощью такого сенсорного выключателя управлять мощной нагрузкой? Например, лампой накаливания на 220 Вольт? Просто вместо светодиода мы можем поставить ТТР.

В этой схеме я использовал Твердотельное реле (ТТР), хотя можно использовать и электромеханическое реле . При использовании электромеханического реле, не забываем параллельно катушке реле поставить защитный диод

Моя измененная схема на ТТР выглядит вот так:

А вот так она работает:

В интернете эта схема идет на трех транзисторах. Я ее немного упростил. Принцип работы схемы очень простой. При прикосновении пальчиком вывода базы транзистора VT2, на базу поступает синусоидальный сигнал с нашего тела. А откуда он берется? Наводки от сети 220 Вольт. Так вот, этих наводок вполне хватает, чтобы транзистор VT2 открылся, потом сигнал с VT2 поступает на базу VT1 и там усиливается еще больше. Мощности этого сигнала хватает, чтобы зажечь светодиод или подать управляющий сигнал на реле. Все гениально и просто!

» в мир современной электроники… Перед вами последняя часть данного курса.

Шаг 10: Светодиоды

Индикаторами, обычно называют светодиоды, которые являются настоящими незамеченными героями в мире электроники. Они формируют числа на электронных часах, передают информацию от дистанционных устройств, освещают приборные панели и оповещают пользователей о том, что используемые ими приборы включены. Если их собрать вместе, они смогут сформировать изображения на гигантском телевизионном экране или осветить светофор.

В основном светодиоды — простые крошечные лампочки, которые легко «монтируются» в электрическую схему. Но в отличие от обычных ламп накаливания, у них нет нити, которая может перегореть, а так же они не так греются, как лампы. Они излучают свет исключительно за счёт движения электронов в полупроводнике. Продолжительность жизни светодиода превосходит жизнь ламп накаливания на тысячи часов.

Светодиоды используются для освещения или для индикации.

Обычные светодиоды хороши в качестве индикаторов, поскольку они светят мягким и однородным светом, который хорошо видно под любым углом. У ярких светодиодов свет прямой и мощный, но вы не сможете увидеть их свечение под углом, потому что свет направлен только вперёд.

Светодиод — диод, на который оказывает влияние ток, а не напряжение. Он «питается» током в прямом направлении (плюс к минус, или анод к катоду) и начинает излучать свет при минимальном токе. Типичный красный светодиод потребляет от 10mA до 20mA. Если подать значение больше допустимого, светодиод просто сгорит.

Так как работа светодиода зависит от тока, и не зависит от напряжения, он не может быть подключён непосредственно к аккумулятору или источнику питания. Самый простой способ защитить светодиод от «убийственного» значения тока – это подключить его через резистор. Резистор снизит ток и приведёт его значение до приемлемого уровня.

Рассчитаем значение LED резистора по следующей формуле:

Значение Резистора LED, R = (напряжение питания — напряжение LED) / ток LED.

В нашем примере:

Возьмём, 9-вольтовую батарею (напряжение питания = 9 В). Напряжение для красного светодиода 2 В, ток – 20 мА.

Если у вас нет резистора с определенным значением, то выберите самое близкое стандартное сопротивление, которое немного больше рассчитанного. Если хотите увеличить время свечения, то можете выбрать более высокое значение резистора, чтобы уменьшить ток. Для 15mA , R = (9 — 2.0) / 15 мА = 466 Ом (используем более высокое стандартное значение = 470 Ом).

Шаг 11: Транзистор

Транзисторы можно рассматривать, как один из видов электронного переключателя.

(Для справки: транзисторный переключатель гораздо быстрее, чем механический)

Есть два основных типа транзисторов: биполярный и МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник). Биполярные транзисторы в свою очередь делиться на: N-P-N и P-N-P структуры. Большинство схем использует N-P-N структуру. Транзисторы изготавливаются в различных формах, но все они имеют три вывода. База — является ведущей и отвечает за активацию транзистора. Коллектор – положительный вывод. Эмиттер – отрицательный вывод. (У каждого элемента выводы располагаются в определенном порядке).

Транзистор — миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две функции. Он может быть усилителем или переключателем.

Когда он работает усилителем, то берёт небольшой ток (входной ток) и увеличивает его значение (выходной ток). Другими словами, это — токоусилитель (используется в слуховых аппаратах).

Кроме того, транзисторы могут выполнять роль переключателей. Небольшой электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может активировать другую его сторону. Так работают все микросхемы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиардов транзисторов, каждый из которых может быть включен или выключен индивидуально. Так как каждый транзистор может быть в двух отличных режимах, то он может сохранить два различных числа, ноль и один. С миллиардами транзисторов чип может сохранить миллиарды нолей, и почти столько же обычных знаков.

Режимы функционирования

В отличие от резисторов работа которых основывается на линейном соотношении между напряжением и током, транзисторы — нелинейные устройства. У них есть четыре отличающихся режима работы.

(Когда говорят об электрическом токе, что идёт через транзистор), мы, обычно, имеем в виду ток, протекающий из коллектора к эмиттеру, транзистора с N-P-N структурой.

Насыщенность – транзистор действует, как перемычка. Ток свободно протекает от коллектора к эмиттеру.

Отсечение – транзистор действует, как прерыватель цепи. Токи от коллектора к эмиттеру не идут.

Активный – ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему к базе.

Обратно-активный – как и в активном, ток пропорционален току базы, но протекает в обратном направлении.

Введя транзистор в режим отсечки или насыщения, можно создать двойной эффект включения — выключения. Транзисторы-переключатели используются, чтобы включают микроконтроллеры, микропроцессоры и другие интегральные схемы.

Транзисторный выключатель (ТВ)

Давайте рассмотрим фундаментальную схему «ТВ» N-P-N структуры. Воспользуемся им, чтобы управлять мощным светодиодом.

В то время как обычный переключатель «врезался бы в линию», ТВ управляется напряжением, которое поступает на базу. Контакт ввода-вывода микроконтроллера, может быть запрограммирован, так чтобы пропускать высокий или низкий ток, тем самым включать или выключать цепь.

Когда напряжение базы больше, чем 0.6 В, транзистор начинает насыщаться, что похоже на короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение меньше чем 0.6 В, транзистор находится в режиме отсечки – ток не проходит, это похоже на разомкнутую цепь между коллектором и эмиттером.

Такую схему подключения называют переключателем «низкой стороны». В качестве альтернативы, можем использовать транзистор PNP структуры для создания переключателя «высокой стороны».

Базовые резисторы

Вы заметили, что каждая из описанных схем использует последовательный резистор между вводом управления и базой транзистора. Не забывайте добавлять этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Вспомните, что, в некотором смысле, транзистор — просто пара соединенных диодов. Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на максимум 10-100mA, что проходит через них. Если вы пропустите ток превышающий максимально допустимый, транзистор может взорваться.

МОП — транзистор

МОП является другим типом транзистора, используемого для усиления или переключения электронных сигналов.

Основное преимущество МОП перед обычными транзисторами заключается в том, что он требует, малый ток для включения (меньше, чем 1mA) при выходе более высокого тока нагрузки (10 — 50А и больше).

У МОП чрезвычайно высокое входное сопротивление затвора с током, протекающим через канал между истоком и стоком под контролем напряжения на затворе. Из-за этого высокого входного сопротивления, МОП могут быть легко повреждены статическим электричеством.

МОП-ТРАНЗИСТОР идеален для использования в качестве электронных переключателей или в качестве усилителей с общим истоком, поскольку их потребляемая мощность очень небольшая.

Шаг 12: Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор напряжения генерирует фиксированное выходное напряжение предварительно установленной величины, которое остаётся постоянным независимо от изменений величин входного напряжения и нагрузки. Есть два типа стабилизаторов напряжения:

• Линейный;
• Переменного напряжения.

Рассеиваемая мощность линейного регулятора прямо пропорциональна выходному току для напряжения ввода и вывода, таким образом, типичный КПД составляет 50% или ещё ниже. Используя оптимальные компоненты, стабилизатор переменного напряжения может достигнуть КПД 90%. Однако мощность помех на выходе от линейного регулятора намного ниже, чем у переменного с теми же выходными напряжениями и аналогичными характеристиками. Как правило, переменный может управлять более высокими текущими нагрузками, чем линейный стабилизатор.

Линейный стабилизатор есть не что иное, как делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

Существует два типа линейного стабилизатора:

Фиксированные

«Фиксированные» линейные стабилизаторы с тремя терминалами стабилизируют постоянные напряжения 3 В, 5 В, 6 В, 9 В, 12 В или 15 В, когда нагрузка составляет меньше чем 1. 5 А. Ряд «78xx» (7805, 7812, и т.д.) регулирует положительные напряжения, в то время как «79xx» (7905, 7912, и т.д.) регулируют отрицательные напряжения. Часто, последние две цифры — выходное напряжение (например, 7805 — +5вольтовый стабилизатор, в то время как 7915 — −15 В стабилизатор).

Переменные

Такой тип генерирует фиксированное низкое номинальное напряжение между выходом и корректировочным терминалом (эквивалентный клемме заземления в фиксированном). Семейство устройств включает такие как LM723 (низкой мощности) и LM317 и L200 (средней мощности). Некоторые переменные доступны в сборках больше чем с тремя контактами, включая корпуса с двухрядным расположением выводов. Они предоставляют возможность скорректировать выходное напряжение при помощи внешних резисторов с известными значениями.

Серия (+1.25V) LM317 регулирует положительные напряжения, в то время как серия LM337 (−1.25V) регулирует отрицательные напряжения.

Применение линейных стабилизаторов

L7805 (Стабилизатор напряжения — 5 В): Это — основной стабилизатор напряжения, положительный регулятор с тремя терминалами с 5 В фиксированным выходным напряжением. Максимальный выходной ток до 1.5 А.

L7812 (Стабилизатор напряжения — 12 В): Это — основной стабилизатор напряжения, положительный регулятор с тремя терминалами с 12 В фиксированным выходным напряжением. Максимальный выходной ток до 1.5 А.

LM317 («Подстроечный»1.25 В к 37 В): — регулятор положительного напряжения с тремя терминалами, способный выдавать больше чем 1.5А, по диапазону выходного напряжения 1.25 В к 37 В. Он требует, наличия двух внешних резисторов, установленных на выходном напряжении.

Стабилизаторы переменного напряжения это устройства, предназначенные для поддержания постоянного значения напряжения, независимо от его колебания во входной цепи.

Повышающий стабилизатор

Это преобразователь постоянного тока с выходным напряжением, больше, чем его входное напряжение.

Типичный пример преобразователя повышения LM27313. Эта микросхема разработана для использования в системах низкой мощности, таких как камеры, мобильные телефоны и устройства GPS. Другой общий корректируемый преобразователь — LM2577.

Шаг 13: Интегральные схемы

Интегральная схема (ИC) (иногда называется микросхемой или микрочипом) – является полупроводниковой пластиной, на которой выполнены тысячи или миллионы крошечных резисторов, конденсаторов и транзисторов. ИC может функционировать как усилитель, осциллятор, таймер, счетчик, память компьютера или микропроцессор.

У линейных ИС есть вывод с плавной регулировкой (теоретически способный достичь бесконечного числа состояний), который зависит от уровня входного сигнала. Линейные ИС используются в качестве усилителей звуковой частоты (AF) и радиочастоты (RF). Операционный усилитель (операционный усилитель) является общим устройством в этих приложениях.

Цифровые ИС работают только на нескольких определённых уровнях или состояниях, а не по непрерывному диапазону амплитуд сигнала. Эти устройства используются в компьютерах, компьютерных сетях, модемах и частотомерах. Фундаментальные стандартные блоки цифровых ИС — логические элементы, которые работают с двоичными данными, т. е. сигналы, у которых есть только два различных состояния низкое (логика 0) и высокое (логика 1).

В зависимости от способа производства, интегральные схемы могут быть разделены на две группы: гибрид и монолитный.

Нумерация контактов (цоколёвка)

Каждая «ножка» микросхемы имеет свой определенный номер и ряд функций, которые она выполняет. На рисунке показана метка, благодаря которой можно определить первый контакт чипа.

Одна из основных характеристик корпуса — способ, которым он монтируются на печатную плату. Либо это выводные контакты либо поверхностный монтаж.

Спасибо за внимание!

В настоящее время в радиоэлектронной аппаратуре часто применяют электронные
выключатели, в которых одной кнопкой можно осуществлять как ее включение, так и
выключение. Сделать такой выключатель мощным, экономичным и малогабаритным
можно, если применить полевой переключательный транзистор и цифровую КМОП
микросхему.

Схема простого выключателя приведена на рис. 1. Транзистор VT1 выполняет функции
электронного ключа, а триггер DD1 им управляет. Устройство постоянно подключено
к источнику питания и потребляет небольшой ток — единицы или десятки микроампер.

Если на прямом выходе триггера высокий логический уровень, то транзистор закрыт,
нагрузка обесточена. При замыкании контактов кнопки SB1 триггер переключится в
противоположное состояние, на его выходе появится низкий логический уровень.
Транзистор VT1 откроется, и напряжение поступит на нагрузку. В таком состоянии
устройство будет находиться до тех пор, пока снова не окажутся замкнутыми
контакты кнопки. Тогда транзистор закроется, нагрузка обесточится.

Указанный на схеме транзистор имеет сопротивление канала 0,11 Ом, а максимальный
ток стока может достигать 18 А. Следует учитывать, что напряжение затвор-сток,
при котором транзистор открывается, составляет 4…4,5 В. При напряжении питания
5…7 В ток нагрузки не должен превышать 5 А, в противном случае падение
напряжения на транзисторе может превысить 1 В. Если напряжение питания больше,
ток нагрузки может достигать 10… 12 А.

Когда ток нагрузки не превышает 4 А, транзистор можно использовать без
теплоотвода. Если ток больше, необходим теплоотвод, либо следует применить
транзистор с меньшим сопротивлением канала. Подобрать его нетрудно по справойной
таблице, приведенной в статье «Мощные переключательные транзисторы фирмы
International Rektifier» в «Радио», 2001, №5, с. 45.

На такой выключатель можно возложить и другие функции, например, автоматическое
отключение нагрузки при снижении или превышении питающим напряжением заранее
установленного значения. В первом случае это может понадобиться при питании
аппаратуры от аккумуляторной батареи, чтобы не допустить ее чрезмерного разряда,
во втором — для защиты аппаратуры от завышенного напряжения.

Схема электронного выключателя с функцией отключения при снижении напряжения
приведена на рис. 2. В него дополнительно введены транзистор
VT2,стабилитрон,конденсатор и резисторы, один из которых — подстроенный (R4).

При нажатии на кнопку SB 1 полевой транзистор VT1 открывается, напряжение
поступает на нагрузку. Из-за зарядки конденсатора С1 напряжение на коллекторе
транзистора в начальный момент не превысит 0,7 В, т.е. будет иметь низкий
логический уровень. Если напряжение на нагрузке станет больше установленного
подстроечным резистором значения, на базу транзистора поступит напряжение,
достаточное для его открывания. В этом случае на входе «S» триггера останется
низкий логический уровень, а кнопкой можно включать и выключать питание
нагрузки.

Как только напряжение снизится ниже установленного значения, напряжение на
движке подстроечного резистора станет недостаточным для открывания транзистора
VT2 — он закроется. При этом на коллекторе транзистора напряжение увеличится до
высокого логического уровня, который поступит на вход «S» триггера. На выходе
триггера появится также высокий уровень, что приведет к закрыванию полевого
транзистора. Нагрузка обесточится. Нажатия на кнопку в этом случае приведут
только к кратковременному подключению нагрузки и последующему ее отключению.

Для введения защиты от превышения питающего напряжения автомат следует дополнить
транзистором VT3, стабилитроном VD2 и резисторами R5, R6. В этом случае
устройство работает аналогично описанному выше, но при увеличении напряжения
выше определенного значения транзистор VT3 откроется, что приведет к закрыванию
VT2, появлению высокого уровня на входе «S» триггера и закрыванию полевого
транзистора VT1.

Кроме указанных на схеме, в устройстве можно применить микросхему К561ТМ2,
биполярные транзисторы КТ342А-КТ342В, КТ3102А-КТ3102Е, стабилитрон КС156Г.
Постоянные резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4, подстроенные — СПЗ-3, СПЗ-19,
конденсатор — К10 17, кнопка — любая малогабаритная с самовозвратом.

При использовании деталей для поверхностного монтажа (микросхема CD4013,
биполярные транзисторы КТ3130А-9 — КТ3130Г-9, стабилитрон BZX84C4V7, постоянные
резисторы P1-I2, конденсатор К10-17в) их можно разместить на печатной плате
(рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 20×20 мм.
Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 4.

Производители полупроводниковых приборов разрабатывают новые, более совершенные изделия, что дает возможность радиолюбителям, в свою очередь, создавать простые компактные устройства с улучшенными параметрами, недостижимыми всего лишь несколько лет назад. Один из примеров тому пред-ставлен в публикуемой ниже статье, в которой описан мощный электронный включатель-выключатель, способный во многих случаях потеснить своего электромагнитного конкурента.

На рис. 1
представлена схема одного из вариантов мощного электронного реле, предназначенного для коммутации тока нагрузки до 20 А при напряжении 5…20 В. Устройство собрано на базе мощного п-канального транзистора МДП АРМ2556NU), имеющего сопротивление канала не более 5,7 мОм при напряжении затвор-исток 10 В или не более 10 мОм при 4,5 В. Столь малое сопротивление открытого канала позволяет с помощью этого прибора коммутировать большой ток, причем установка транзистора на теплоотвод при невысокой частоте переключения (единицы — десятки килогерц) обычно не требуется. Устройство может быть использовано, например, как электронный включатель-выключатель выходного напряжения в мощном блоке питания, мощных источников света в аккумуляторных фонарях, низковольтных электродвигателей, тяговых электромагнитов и для множества других применений.
Использование в качестве основного коммутирующего элемента мощного транзистора МДП в сравнении с электромагнитным реле позволяет получить меньшее сопротивление «замкнутых контактов», отсутствие их выгорания и искровых помех, более высокое быстродействие (при электронном управлении). Кроме того, такой электронный переключатель будет иметь меньшие габариты и массу, чем электромагнитные реле на ток 10…20 А, а также значительно меньший ток, потребляемый цепями управления.
Управлять электронным переключателем можно двумя малогабаритными кнопками без фиксации, например, герконовыми, мембранными или резиновыми с токопроводящим покрытием.

На рис. 2
для сравнения габаритов показаны электромагнитное реле С71-2А-Р фирмы Omron, контакты которого рассчитаны на коммутацию тока 20 А, и макет электронного реле на
транзисторе МДП. Электронный узел даже при относительно просторном монтаже занимает вчетверо меньший объем (кнопки и светодиод смонтированы вне платы) и значительно легче.
При подаче напряжения на вход устройства, полевой транзистор VT2 остается закрытым, подключенная к выходу нагрузка — обесточенной, светодиод НL1 — выключенным. Чтобы подать напряжение на нагрузку, необходимо на короткое время нажать на кнопку SB1. Это приведет к открыванию транзистора VТ1 и вслед за ним транзистора VT2.
О поступившем к нагрузке напряжении проинформирует включившийся светодиод HL1. Конденсаторы СЗ и С4, а также С1, С2, С5, С6 устраняют воз-можное влияние на состояние транзисторов различных помех. Диоды VD2- VD5 предназначены для принудительного выключения устройства при снижении входного напряжения примерно до 3 В, что предохраняет полевой транзистор VT2 от перегревания.
Дело в том, что столь глубокое уменьшение напряжения затвор-исток транзистора \/Т2 резко увеличивает сопротивление канала и, как следствие, выделяемую в нем тепловую мощность, особенно при большом нагрузочном токе. Для того чтобы предохранить полевой транзистор от перегревания, предусмотрена цепь R5VD2-VD5, закрывающая оба транзистора.
Варистор RU1 и стабилитрон VD1 защищают сравнительно низковольтный полевой транзистор от всплесков напряжения, например, от ЭДС самоиндукции электродвигателя, подключенного к входу или выходу устройства, или, например, от случайного повреждения статическим электричеством при прикосновении к затвору транзистора \/Т2 отверткой (или другими металличе¬скими предметами).
Для выключения устройства достаточно кратковременного замыкания контактов кнопки SB2. Управлять состоянием транзистора VT2 можно не только мало-мощными миниатюрными кнопками, но и, например, двумя оптронами или маломощными герконовыми реле. Следует отметить, что в выключенном состоянии переключатель практически не потребляет энергии.
Экспериментальный образец устройства был смонтирован на монтажной плате размерами 46×27 мм из стеклотекстолита навесным монтажом. Сильноточные цепи выполнены короткими отрезками монтажного провода сечением не менее 1,2 мм.
Транзистор АРМ2556NU в миниатюрном корпусе Т0252 допускает максимальное напряжение сток-исток 25 В. При токе стока 40 А и напряжении затвор-исток 10 В или 20 А при напряжении затвор-исток 4,5 В типовое зна¬чение сопротивления открытого канала не превышает 4,5 и 7,5 мОм соответственно. Максимально допустимый постоянный ток стока транзистора при температуре корпуса 25 °С — 60 А.
Транзистор следует припаять к теплоотводу с полезной площадью поверхности не менее 7 см/2 на случай работы при пониженном напряжении питания с большим током нагрузки. При монтаже транзистора необходимо принимать меры по его защите от пробоя статическим электричеством.
Транзисторы АРМ2556NU, предназначенные для работы в понижающих импульсных стабилизаторах напряжения, сейчас широко используют в со-временных высокопроизводительных видеокартах и компьютерных системных платах. Заменить этот транзистор можно двумя соединенными параллельно миниатюрными, но имеющими вдвое большее сопротивление открытого канала транзисторами АРМ25101NU (8,5 МОм при U3-и = 10 В) или другими аналогичными, управляемыми низким напряжением затвор-исток. При ис-пользовании транзисторов с большим чем у АРМ25561NU, сопротивлением ка-нала для сохранения малого сопротивления переключательного элемента можно включить несколько однотипных полевых транзисторов, соединенных параллельно.
Транзистор 2SA733B заменим любым из серий 2SА733. 2SА992, SS9015, КТ3107, КТ6112. Вместо BZV55С15 подойдет стабилитрон 1N744А, TZМС-15, 2С215Ж, КС215ЖА, а вместо 1N148 — диод 1 N914 (или любые из серий КД522, КД521). Светодиод — любой общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, например, из серий КИПД40, КИПД66. Для каждого конкретного напряжения на нагрузке следует подбирать резистор с тем, чтобы не превысить номинальный ток светодиода.
Оксидные конденсаторы — К50-68, К53-19 или импортные. Остальные — К10-17, К10-50. Варистор FNR-05K220 можно заменить любым маломощным на 18…22 В, например FNR-05K180.
Безошибочно собранное из исправных деталей устройство не требует на-лаживания.
В зависимости от конкретных особенностей применения предлагаемый для повторения коммутатор можно упростить или усовершенствовать. Например, если исключены всплески напряжения со стороны источника питания или подключенной нагрузки, можно обойтись без варистора RU1. Также можно отказаться от защитного стабилитрона VD1, если напряжение источника питания не превысит 15 В и исключены всякие прикосновения к выводу затвора транзистора VT2.
Если в цепь нагрузки ввести последовательно обмотку самодельного герконового реле, разомкнутые контакты которого подключены параллельно контактам кнопки SB2, то питание нагрузки будет автоматически отключаться при увеличении потребляемого ею тока выше заданного. Для изготовления такого реле на баллон геркона КЭМЗ надо намотать несколько витков толстого (диаметром 0,7…1,2 мм) обмоточного провода. Так, например, с катушкой из семи витков провода ПЭВ-2 0,68 реле сработает при токе около 5 А. Требуемое число витков для желаемого тока срабатывания защиты для конкретного экземпляра геркона определяют экспериментально.

Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

Несмотря на достаточно большое разнообразие, на строительном рынке, инструментов для завинчивания либо свинчивания различных трубных соединений, особое внимание специалисты уделяют цепному ключу. Цепной ключ является ярким представителем ручного слесарного инструмента, предназначенного для проведения монтажа труб или арматуры в труднодоступных местах. Подобное оборудование позволяет работать в условиях, где использование стандартного разводного или губчатого ключа является невозможным.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

1. Коллектор.
2. Эмиттер.
3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Наборы гаечных ключей

Виды и характеристики для сравнения ключей, предоставленные выше, помогут определиться с выбором необходимого инструмента. Однако гораздо проще держать при себе наборы из таких приспособлений разного типа и формата.

Какие ключи лучше выбрать? Всё зависит от специфики вашей деятельности, и других параметров. Например, при покупке инструментов лучше ориентироваться не на стоимость, а на качество используемых материалов – только так изделие прослужит своему владельцу верой и правдой долгие годы, а не сломается после двух месяцев эксплуатации.

Стоит уделить внимание ключам из хромванадиевой стали, с добавлением специального сплава.

В средне укомплектованный набор входят:

• Рожковые
• Накидные
• Комбинированные

С помощью этих трех типов изделий вы сможете легко открутить или закрутить практически любую деталь. Размеры гаечных ключей также играют большую роль, поскольку в ответственный момент нужного инструмента может просто не оказаться под рукой.

Именно поэтому в наборах вы найдете разные насадки, и увеличить диапазон работы. Немаловажным фактором будет наличие торцевых ключей, полезных при работе в углублениях, например, если нужно открутить болт в колесе автомобиля.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15… 14 А, напряжений 50… 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Запись на заготовку

Запись информации на носители осуществляется при помощи специальных устройств, программаторов. К примеру, устройство Keymaster PRO 4 RF, является универсальным программатором, как для стандарта Touch memory, так и для бесконтактных, радиочастотных RFID устройств. Позволяет копировать ключи на заготовки:

• RW/ТМ 2004;
• КС 1, 3;
• ТМ – 01, 07, 08;
• RW 1990, 2007, 125RF.

Поддерживает стандарты наиболее распространенных производителей:

Для Touch memory:

Запись заготовки производится в одно касание. Алгоритм копирования ключа следующий:

1. К считывателю подносится ключ, который необходимо скопировать.
2. Устройство самостоятельно определяет тип, производителя и модель рекомендуемой заготовки.
3. К считывателю подносится заготовка. И нажимается кнопка на запись.
4. Производится запись в память ключа.

Кроме того, устройство может производить запись без ключа исходника, если известен код, записанный в память. Дубликатор подключается к ПК через USB порт и имеет собственное ПО, которое сохраняет в памяти 500 последних записей, и ведет распределение записей Touch memory и RFID. Такое дорогостоящее оборудование не по карману большинству простых пользователей, но существуют и более простые модели с ограниченным функционалом:

• KeyMaster 3;
• KeyMaster 3 RF – поддерживает бесконтактные метки;
• TMD-5 RFID;
• TM-Pro.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Как разобрать и снять переключатель душа на смесителе

Как уже говорилось, все устройства имеют свои конструктивные особенности, этим и обусловлены различия в разборе и ремонте изделий.

Пробковый

Пробковые переключатели имеют собственное деление на три категории. Они бывают:

1. Ручные. Переключение производится руками.
2. Автоматические. Через определённое время переключатель сам возвращается в привычное состояние.
3. В так называемый советский период переключение регулировалось механизмом поворота. На данный момент практически неиспользуемый вариант.

Прежде всего перекрываем воду, если, конечно, нет желания начать маленькую и не факт, что победоносную, войну с соседями. Далее избавляемся от выполняющей роль декорации накладки. Под накладкой видим резьбу соединения. Отвёрткой осторожно выкручиваем болтик и снимаем верхнюю половину ручки.

Далее всё будет зависеть от того, какого типа установлен запорный механизм:

1. Для начала следует снять декоративную гайку, зачастую её даже не прикручивают. Снимая её, не следует использовать разводные ключи — так мы легко испортим внешний вид.

2. Декоративная гайка прикрывает собой фиксирующую. На ней-то и держится запирающий механизм. В картриджном, соответственно, это картридж из керамики, а в шаровом — шар. Разводным ключом откручиваем гайку фиксации.
3. Далее нужно снять сам переключатель.
4. Выкручиваем его тем же самым разводным ключом. Как только почувствуем, что механизму ничто не мешает свободно вращаться, откладываем ключ и руками выкручиваем до конца, дабы не нанести вред пружине и прокладке.

5. В состав пружинного, а иначе говоря, штокового переключателя, входят шток, пружины и запирающий механизм, а также уплотнительные кольца. Выкручиваем гайку, которая помогает переключению потока из крана на лейку. Проверяем пружину — чтобы запор функционировал, она обязательно должна быть гибкой.

6. Сняв упорную гайку, избавляемся от шайбы из пластика, на которой держится шток. Под ней видим пружину. Извлекаем её. Делаем это осторожно, стараясь не перегибать.
7. Заменив механизм, собираем всё обратно.

Справка. На советских вариантах пробковых переключателей первым делом снимаем ручку, а затем уже переключатель.

Золотниковый

Если в смесителе стоит золотниковый переключатель, то действия для его разбора будут несколько иными:

1. Откручиваем нижнюю половину, а именно шланг и переключатель. Можно взять разводной ключ или подходящий размером гаечный.
2. Откручиваем гайку и снимаем шланг с переключателя. Это проще сделать разводным ключом.
3. Далее откручиваем переключатель.

До сих пор имеют широкое распространение переключатели золотникового типа, которые не требуют, чтобы их разбирали полностью. Нужно просто открутить запирающую часть, после чего механизм можно извлечь.

Подобные варианты не сильно популярны, их попросту нельзя отремонтировать. Увидев течь на таком смесителе, смело его выбрасываем и покупаем другой.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Какие бывают переключатели на смесителе

Все переключатели, которые стоят на смесителях в душе, можно классифицировать по особенностям конструкции и принципу их функционирования. Исходя из конструктивных особенностей, выделяются:

1. Картриджные. Чаще всего ставят именно этот вариант. Запорный механизм представлен картриджем, при повороте рычага он изменяет своё положение.

2. Золотниковые. Ставят их на смесители с тонкими стенками. Такие же использовались в моделях советского периода. Регуляция водяного потока происходит золотником.

3. Пробковые. Сходны по конструкции с золотниковыми, но считаются более новым вариантом. Дополнительно имеется пружина, которая и держит шток. При поднятии переключателя пружина натягивается, фиксирует шток, и вода начинает поступать в лейку. После следующего нажатия на переключатель шток возвращается в исходное положение, и вода устремляется в кран.

Различия в конструкции накладывают отпечаток и на особенности ремонта смесителей.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Фото гаечных ключей

Читайте здесь! Детектор проводки: обзор моделей, самодельные устройства и инструкция по их применению

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

1. P-N-P.
2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Лучшие стандартные разводные ключи

Стандартные разводные ключи для перемещения щечек используют червячный механизм. Верхняя щека подвижная, и внутри инструмента имеет насечки, по которым она и перемещается. Недостатком в таких моделях считается неплотная фиксация ключа в выбранном положении. Щечка постоянно норовит сползти и уменьшить диаметр, что вызывает некоторые сложности в работе. Стоит отметить, что этот нюанс встречается и у самых дорогих моделей и связан исключительно с конструкционной особенностью, поэтому с ним придется мириться. Правда, у лучших моделей из нашего ТОПа эта особенность сведена к минимуму, о чем свидетельствуют отзывы реальных пользователей.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Универсальные гаечные ключи

На смену классическим инструментам приходят новые, более продвинутые и надежные приспособления. Так, универсальные гаечные ключи созданы с целью облегчить процесс монтажа/демонтажа креплений. Они обладают многофункциональной головкой, способной захватывать болты различных форм и размеров, фиксируя их в удобной позиции.

В современных квартирах и домах люди стараются максимально эффективно использовать каждый сантиметр, и не всегда есть место для хранения целой кучи инструментов. С универсальным ключом можно быстро прикрутить колесо велосипеда, а через несколько минут отправится чинить сантехнику.

Минусы таких изделий… Конструкция многофункциональных инструментов не всегда долговечна. Если приспособление может выполнять несколько задач сразу, приходится чем-то жертвовать, ведь регулируемая головка или губки принимают на себя большую нагрузку.

Хорошая альтернатива – двусторонние гаечные ключи, и варианты с разводной конструкцией, станут хорошей заменой вышеописанному виду изделий.

Впрочем, стоит понимать, что речь идет о работе по дому, а не о профессиональной деятельности, скажем, трубопроводчика – специалисты пользуются большими наборами, в которых есть всё необходимое для устранения любой проблемы.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

Сваривание шестигранной формы

Теперь осталось сварить деталь в одну. (В моем случае я использовал 2,5 мм сварочный электрод)
После этого нужно примерить гайку еще раз, и если все подходит, то можно наполнить разрезы сваркой. (3,2 мм электрод).

Снова пробуем надеть на гайку, потому что высокая температура при сварке может деформировать металл.

(На этот раз я дополнительно примерил заготовку к шестигранному выступу на фильтре…)

После этого можно зачистить все лишнее, сделав форму детали более гладкой.

Навариваем крышку

После шлифования, поместите деталь на лист металла, из которого делали полосу, и обведите ее очертание на нем.
Я предпочел линию вести по внутренней части, добавив пару миллиметров по краям. Но вы, вероятно, можете захотеть обвести деталь по наружной стороне, наоборот, убрав лишние пару миллиметров.

Затем навариваем полученную верхнюю часть на изготовленную ранее деталь. (Используем 2,5 мм и 3,2 мм электроды)

Снова проверяем все ли подходит.

Наваривание трубы

Только после этого шага, результат работы можно назвать инструментом.

Я просто приварил трубу сверху полученной детали (для моего одноцелевого ключа она оказалась подходящей).

И затем после примерки ключа к крышке фильтра фургона, я приварил к трубе рукояти. (Они сделаны из разрезанной пополам трубы меньшего диаметра).

Я их приварил под непрямым углом, так мне проще будет работать. (Если бы я закрепил рукояти под 90 градусов, то при вращении врезался костяшками рук в замок капота).

После шлифования и затирания щеткой я нанес на ключ черную краску из баллончика.

Теперь все готово.

Применение

Этот торцевой гаечный ключ имеет достаточно четкое назначение. С ним менять масленый фильтр одно удовольствие. Но я думаю, что способ, которым я сделал инструмент, можно применить к любым другим болтам и гайкам, которые находятся в труднодоступных местах. Метод изготовления довольно простой. Работа не занимает много времени (я его сделал за 3 часа), и ключ обходится довольно дешево, даже если все материалы будете покупать в магазине. Думаю, что после этого проекта, в будущем буду больше делать таких инструментов. Надеюсь вам понравилось. Спасибо за внимание! Original article in English

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h31Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Габариты

По первым впечатлениям ключ производит лёгкое, в буквальном смысле, впечатление. Его приятно взять в руку. Он элементарно симпатичен. И интересен. Его хочется разглядывать уже прямо в упаковке.

Максимальный размах губок (зев) — 29,5 мм.

Точность мерной линейки, нанесенной на сам ключ, при малом размахе довольно высокая. При 10 мм размахе отклонение от штангенциркуля меньше 0,1 мм. Очень удобно, когда заранее известен внешний габарит крепежа — разводишь губки по линейке и приступаешь к работе. В отличие от «слепых» разводных ключей, где зазор выставляется на глаз и подтягивается уже на крепеже.

Толщина разводного ключа в рабочей зоне порядка 13 мм.

Рукоятка в самой толстой части имеет 24,5 мм.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Лучшие газовые разводные ключи

Газовые ключи получили свое название из народа. На деле они называют трубными рычажными ключами, так как их основная задача откручивать муфтовые и другие соединения большого диаметра. А в помощь мастеру прилагаются длинные рукоятки, которые здесь работают в качестве рычагов. Отличается и механизм разведения щечек. Размер выставляется путем закручивания или откручивания специальной гайки, расположенной на одной из ручек. Чем гайка выше, тем меньший диаметр может захватить ключ, и наоборот.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Touch memory

Touch memory – энергонезависимый идентификатор в составе которого имеется запоминающее устройство, часы реального времени и аккумуляторная батарея. Считывание или запись информации производится простым касанием к корпусу устройства. Существует множество разновидностей Touch memory. Различаются не только устройства разных производителей, но и модели по объему памяти. Совместимость с установленным оборудованием необходимо учитывать при покупке заготовок для записи кодов.

Модели Touch memory

1. Модель «Dallas» — наиболее распространенная модель. На пластмассовом держателе может быть нанесена эмблеме или надпись компании производителя домофонного оборудования: Sean, Eltis, Vizit или эмблема Dallas. Для копирования кода используют заготовки ТМ2004.
   

   Некоторые новые модели домофонных систем Vizit не поддерживают работу с заготовками ТМ2004, в этом случае можно воспользоваться более дорогой универсальной моделью ТМ08.

2. Модель «Метаком». Отечественного производства, являются полным аналогом модели «Dallas». Полностью совпадают по электрическим характеристикам. Должны иметь маркировку, как на пластике держателе, так и на самом металлическом корпусе устройства – надпись Метаком или МТ. Подходят заготовки ТМ2004 и ТМ08.
3. Модель «Cyfral». Имеют аналогичную надпись на держателе. Для старых моделей подходят заготовки ТМ2004, для новых ТМ7. Резисторная модель «Цифрал». Устаревшее оборудование, которое довольно редко встречается. Такие устройства не имеют чипа с записанным кодом. Они используют резистор с номиналом соответствующим конкретному домофону. Отличить такое устройство можно по углублению, расположенному в центральной части корпуса. Копирование производится путем припаивания к любой из заготовок Touch memory соответствующего резистора. Его емкость определяется омметром по исправному ключу.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

1. Биполярный транзистор.
2. Резистор для ограничения входного тока.
3. Полупроводниковый диод.
4. Электромагнитное реле.
5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Зачем для домофонов делают разные ключи?

Заготовки домофонных ключей отличаются по своему шифру. Их делают разными потому, что всегда сохраняется риск потери оригинального ключа. Наличие специальных заготовок, дублирующих ID-идентификатор, исключает вероятность попадания модуля в руки посторонних лиц. Злоумышленники не смогут использовать отпирающий механизм в собственных целях.

Кроме заготовок с идентичным шифром необходимы специальные механизмы, считывающие идентифицирующий код с оригинального ключа, а также программаторы, позволяющие записать сигнальный код на новую заготовку. Процесс перезаписи шифра на цифровой модуль происходит за несколько секунд. Первоначально необходимо считать кодовый сигнал с оригинала. Если ключ утерян, сделать это не получится. Поэтому дубликат домофонного ключа лучше создавать заранее. Потом выбирается новый модуль с прочным корпусом и на него записывают скопированный код.

Полезный совет. Сделайте копию оригинального домофонного ключа заранее, чтобы в случае его утраты иметь доступ к электронному дверному замку. Иначе придётся менять замок и эта процедура обойдётся намного дороже, чем создание дубликата ключа.

Сегодня производители предлагают клиентам различные типы домофонных ключей. Они используются для открытия цифровых устройств определённой конструкции на дверях. Каждый такой модуль работает по-разному, имеет разнообразную степень защиты. Основные разновидности цифровых модулей будут описаны ниже.

Герконовая пара

Домофонные ключи этого типа имеют вид пары, включающей в себя постоянный магнит и ёмкость вакуумной структуры. Внутри вакуумной колбы спрятано магнитное поле, которое воздействует на отпирающий механизм и помогает открыть электронный замок на двери. Устройство характеризуется высокой надёжностью и хорошо сочетается с цифровыми замками разных видов.

Touch Memory

Самый популярный тип домофонных отпирающих модулей. Пользователи называют его «таблеткой» или идентификатором. Механизм представляет собой миниатюрную микросхему, хорошо защищённую стальным корпусом. Он имеет высокую герметичность и ударопрочность. В систему данного ключа встроен 64-разрядный идентификатор, надёжно защищённый от взломов и несанкционированной подделки. Поэтому запирающий механизм обеспечивает высокий уровень защиты цифровых замков от взлома.

Touch Memory ключ

Proximity-ключи

Безопасные и надёжные ключи с 8-значным буквенно-цифровым идентификатором. Подобрать данный шифр самостоятельно нельзя, поэтому посторонние лица точно не смогут открыть замок. Антивандальная защита устройства высоко оценивается пользователями, поэтому производители домофонных дверей часто выбирают для их комплектации ключи Proximity.

Proximity

Оптические ключи

Оптический ключ
Оптические домофонные ключи используются редко, потому что предназначены для цифровых конструкций с фотодиодным или оптопарным считывающим устройством. В массовом производстве дверей с электронным замком такие дорогостоящие механизмы практически не используются. Поэтому и популярность оптических модулей для их отпирания минимальна.

Резистивные ключи

В основе данного типа ключей находится резистивный элемент. Его номинал и является тем шифром, который помогает открыть цифровой замок. Резистор прячется внутри пластины, имеющей рельефную форму и пластиковую либо прорезиненную поверхность. Использовать механизм удобно, а за счёт сочетания высококачественных расходных материалов готовые резистивные ключи получаются долговечными и надёжными.

Резистивный ключ

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Программирование домофонов

Внесение информации о новых ключах можно осуществлять и непосредственно на домофонное оборудование. Естественно, у разных производителей разработаны различные инструкции по программированию домофонов.

Занесение информации в память домофона возможно, только если монтажники не произвели изменение заводского кода доступа в устройство. Обычно, замену пароля доступа монтажники производят крайне редко, а большинство паролей по умолчанию – 1234.

Производитель Raimann

• Для входа в настройки — нажимается кнопка считывателя;
• Пароль входа от 9 до 4, после звукового сигнала (подождать 10-15 сек) набрать от 1 до 6;
• На мониторе появляется символ «Р»;
• Пункты меню от 2 до 8. Пункт, отвечающий за введение новых ключей №2.

Производитель VIZIT

• Вход в настройки – на клавиатуре набирается #99;
• После звукового сигнала, вводится пароль 1234, затем снова сигнал;
• Программирование и прописывание новых ключей – пункт №3;
• Вводится номер квартиры, прикладывается ключ и нажимается #;
• Затем нажимается * для перехода в рабочий режим.

Если кнопок * и # на клавиатуре нет то они заменяются кнопками С и К, соответственно.

Производитель Eltis

• Для входа в меню нажимается кнопка В, держится нажатой 7 сек.;
• Системный пароль 1234;
• После того как на экране загрузится меню, выбираем пункт «Key master»;
• Набираем номер квартиры и нажимаем на кнопку В;
• После появления на экране команды LF нужно прислонить ключ к считывателю;
• Запись закончена если на экране появится надпись ADD (если до этого ключей для данной квартиры в памяти не имелось) или номер квартиры.

При применении инструкций для записи информации в домофон настоятельно не рекомендуем заходить в другие пункты меню, кроме раздела работы с ключами.

ЭП или ЭЦП?

Ранее в обходе была аббревиатура ЭЦП — электронная цифровая подпись. Но после вступления в силу ФЗ № 63 это название сократилось до ЭП, электронная подпись. Именно для электронной подписи используется электронный ключ. По законодательству РФ под ЭП понимают эквивалент подписи, которая ставится «от руки» и обладает аналогичной юридической силой. Электронная подпись позволяет физическим лицам удаленно (через интернет) подписывать документы с государственными, финансовыми, медицинскими, учебными и другими учреждениями. Юридические лица могут с ее помощью участвовать в электронных торгах, вести электронный документооборот (ЭДО), сдавать отчеты в налоговую и т. п.

Диоды в комбинированных цифро-импульсных узлах

Кроме описанных выше диодных схем в современной схемотехнике находят широкое применение различные импульсные устройства, построенные на основе биполярных и полевых транзисторов, а также цифровых микросхем. Несмотря на то, что основным коммутирующим элементом этих схем выступает транзистор (или логический элемент микросхемы), диоды могут играть в них вспомогательную роль, обеспечивая коммутацию дополнительных цепей улучшающих характеристики узлов. Пример диодно-транзисторной ключевой схемы приведен на рис. 3.1-10.

Рис. 3.1-10. Импульсный усилитель мощности с замыкающим диодом

Это импульсный усилитель мощности, который обеспечивает коммутацию активно-индуктивной нагрузки. Здесь специальный шунтирующий диод \(VD1\) фактически превращает последовательную транзисторную схему коммутации в последовательно-параллельную. Через него протекает ток дросселя на интервале времени, когда транзистор закрыт, т.е. независимо от состояния транзисторного ключа постоянно существует цепь для протекания тока нагрузки, что принципиально необходимо для нормального функционирования нагрузок, содержащих индуктивность.

В традиционные схемы транзисторных ключей диоды часто вводятся не только для обеспечения дополнительной коммутации (как это было описано выше). Благодаря своим ограничительным свойствам (см. Диодные ограничители в составе различных узлов аппаратуры) они могут использоваться для улучшения характеристик быстродействия этих ключей. Дело в том, что существенную долю времени выключения биполярного транзистора, особенно при пассивном запирании, составляет время его рассасывания.

Для исключения этого временного интервала необходимо предотвратить переход транзистора в состояние глубокого насыщения, что может быть достигнуто путем фиксации минимального напряжения коллекторного перехода транзистора. Такое решение реализовано в схеме на рис. 3.1‑11.

Рис. 3.1-11. Схема ненасыщенного ключа на биполярном транзисторе с фиксацией напряжения \(U_{КБ}\) с помощью диода и базового резистора

Если в схеме на рис. 3.1-11 вместо обычного кремниевого диода использовать диод Шоттки, имеющий малое падение напряжения в проводящем состоянии, то резистор \(R_б\) может быть исключен, а схема преобразуется в представленную на рис. 3.1-12(а).

Такая схема нашла широчайшее применение в цифровых ИС (логика ТТЛШ), где диод Шоттки и транзистор сразу выполняются совмещенными, благодаря особой компоновке полупроводниковой структуры, в которой металлический вывод базы дополнительно имеет контакт и с коллекторной областью, образуя дополнительный переход Шоттки.

Изготовленный описанным образом интегральный элемент принято называть биполярным транзистором Шоттки (Schottky-clamped transistor) или просто транзистором Шоттки (не путать с Полевым транзистором Шоттки) и обозначать как показано на рис. 3.1-12(б).

Рис. 3.1-12. Транзисторно-диодный ключ с диодом Шоттки (а) и биполярный транзистор Шоттки (б)

Иногда для исключения накопления избыточного заряда в базовой области биполярного транзистора, вместо напряжения \(U_{КБ}\) фиксируется напряжение \(U_{КЭ}\). При этом используется схема, приведенная на рис. 3.1-13, в которой между выводами эмиттера и коллектора транзистора включены последовательно соединенные диод и источник фиксирующего напряжения. Однако из-за значительного технологического разброса параметров транзисторов величина \(U_{фикс}\) должна выбираться с достаточным запасом, что ведет к большому остаточному напряжению на замкнутом ключе.

Рис. 3.1-13. Схема ненасыщенного ключа на биполярном транзисторе с фиксацией напряжения \(U_{КЭ}\) с помощью диода и дополнительного напряжения фиксации

При применении в усилителях мощности схема на рис. 3.1‑13 вырождается и сводится к прямому шунтированию транзистора обратным диодом. Такое включение транзисторов обычно называют “стойкой” (пример на рис. 3.1-14).

Рис. 3.1-14. Импульсный усилитель мощности с включающим и замыкающим ключами

На рис. 3.1-15 представлена простая схема, демонстрирующая возможный вариант использования диодно-емкостной цепочки в в сочетании с цифровым логическим элементом ТТЛ и предназначенная для задержки фронта импульса.

Рис. 3.1-15. Схема задержки фронта импульса (а) и временны’е диаграммы, поясняющие ее работу (б)

В исходном состоянии, когда на вход схемы подан сигнал логического нуля, диод \(VD1\) открыт, а на конденсаторе \(C1\) поддерживается напряжение равное падению напряжения на прямосмещенном диоде \(VD1\) (это происходит из-за особенностей внутренней схемотехники логического элемнта ТТЛ). При поступлении на вход устройства сигнала логической единицы диод \(VD1\) сразу же закрывается, а конденсатор \(C1\) начинает медленно подзаряжаться за счет тока, протекающего через эмиттерный переход входного транзистора ТТЛ элемента. Когда напряжение на конденсаторе превысит порог срабатывания логического элемента, на выходе появится инвертированный задержанный фронт входного импульса. При прохождении среза вход снова замкнется на общий провод, а конденсатор \(C1\) за очень короткое время (учитывая малое выходное сопротивление типового элемента ТТЛ, с которого поступает импульсный сигнал) разрядится через диод \(VD1\), и устройство перейдет в исходное состояние.

Если необходимо задержать не фронт, а срез имипульса достаточно подать на описанную схему предварительно проинвертированный сигнал. Тогда на ее выходе будет получен исходный сигнал (а не его инверсия) с задержанными срезами импульсов. Для задержки всего импульса требуется использовать два одинаковых каскада (рис. 3.1-16), один из которых отвечает за задержку фронта, а другой — среза (здесь также на выходе будет получен неинвертированный задержанный сигнал).

Рис. 3.1-16. Схема задержки импульса (а) и временны’е диаграммы, поясняющие ее работу (б)

Недостатком такого устройства является то, что оно способно нормально обрабатывать только импульсы, длительность которых не меньше времени задержки.

Описанный простейший узел задержки фронта импульса может быть использован и в составе различных формирователей. Например, на его базе может быть построена схема формирования импульсов заданной длительности (рис. 3.1-17). В этой схеме на один вход логического элемента 2И-НЕ исходный сигнал подается непосредственно, а на другой — с задержкой фронта и с инверсией. Выходным сигналом является импульс логического нуля, длительность которого равна времени задержки фронта входного импульса.

Включив на выходе такого формирователя интегрирующую цепь, которая будет выделять постоянную составляющую импульсного сигнала, можно получить простейший преобразователь частота – напряжение (принцип работы преобразователя заключается в том, что постоянная составляющая периодического импульсного сигнала обратно пропорциональна скважности этого сигнала, а следовательно, при постоянной длительности прямо пропорциональна частоте).

Рис. 3.1-17. Формирователь импульсов заданной длительности

Два других примера применения схемы задержки — автоколебательный (рис. 3.1-18) и ждущий (рис. 3.1-19) мультивибраторы.

Рис. 3.1-18. Автоколебательный мультивибратор

Рис. 3.1-19. Ждущий мультивибратор

Электронный ключ на полевом транзисторе

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине «Общая Электротехника и электроника»

На тему: «Электронный транзисторный ключ на полевом транзисторе»

1. Общие сведения об электронных ключах

2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

3. Принцип действия электронных ключей

4. Применение электронных ключей

4. Литература

1.Общие сведения об электронных ключах

Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т. д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.

Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

.

Рис. 4

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и действиями скопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления используют ключи на полевых транзисторах.

2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники. Основные особенности транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Рис. 5

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108-109 Ом. (схемы «а» и «б») и 1012-1014 Ом (схемы «в» и «г»).

1 поколение – с линейной нагрузкой

.

2 поколение – с нелинейной нагрузкой. В качестве нагрузки (вместо

) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.

Рис. 6 Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.

3. Принцип действия электронных ключей

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

• быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

• длительность фронтов выходных сигналов ;

• внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

• потребляемая мощность ;

• помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

• стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

• надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т. д.

4. Применение электронных ключей

Электронный ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии «включено», его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии «выключено», выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного.

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Литература

1. Горбачев Н.Г. Промышленная электроника М. 2001

2. Кудрявцев И.А. Фалкин В.Д. Электронные ключи учебное пособие Самара 2002

3. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов — М.: СОЛОН-Р, 2001. — 327с.

4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника — М.: Горячая линия — Телеком, 2000. — 768 с.

5. www.wikipedia.org

6. Учебно-методический комплекс, раздел «Электроника» 117-118 с.

ЭЦМ (часть 2) — Смоленский филиал МЭИ. Кафедра ЭиМТ

Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей | hardware

Меня часто спрашивают, как управлять с помощью микроконтроллера мощными потребителями тока — лампами, питающимися от сети 220 В, мощными тенами. В этой статье собран материал по работе электронных ключей — как они устроены, как работают, как их можно применить в радиолюбительской практике (перевод [1]). Сначала стоит разобраться в том, что же такое электронный ключ? В сущности это просто выключатель (или переключатель) который замыкает/размыкает сильноточную цепь по внешнему электрическому сигналу (тоже входной ток, но намного меньшей мощности). Обычно, когда на вход электронного ключа подается слабый ток управления, ключ замыкается и пропускает через себя мощный ток в силовой цепи. Когда ток управления пропадает, то ключ размыкается и мощный потребитель тока отключается. На фото представлены основные представители электронных ключей — реле и транзисторы. 1 — мощный транзистор IRFP450 MOSFET, который можно применять в ключевых источниках питания, в генераторах развертки ЭЛТ-мониторов. 2 — IRF840B, тоже довольно мощный транзистор, собрат IRFP450. Может безопасно, продолжительное время, без использования радиатора (или охлаждающего вентилятора) коммутировать токи до 8A при напряжении 500V. UPD140601: как верно прокомментировал Ross, на самом деле без радиатора IRF840 долго в таких рабочих условиях не протянет, потому что рассеиваемая мощность превысит 50 Вт. Если взять транзистор с сопротивлением канала на 2 порядка меньше, тогда другое дело. 3 — два простых, дешевых транзистора. Слева транзистор структуры PNP, а справа NPN. Эти транзисторы могут управлять током до 0.15A при напряжении 50 .. 90V. Обычно транзисторы могут коммутировать ток от 0.15A до 14A при напряжении от 50V до 500V (см. даташит на каждый конкретный транзистор), так что транзистор может переключить мощность до 7 киловатт, если на вход транзистора приложить совсем маленькую мощность — несколько милливатт. Приведенные на фото реле могут коммутировать токи от 5A до 15A при напряжении до 240V. Не очень правильно будет сравнивать реле с транзисторами MOSFET, но они почти не генерируют тепло и не нуждаются в радиаторах. 4 — самое простое реле, подходящее для большинства случаев. У этого реле 5 ножек, две подключены к обмотке, а еще три — к контактам на переключение. 5 — мощное реле на 20A, вытащенное из микроволновой печи. 6 — два реле, установленные на приемный радиомодуль (может обучаться на срабатывание от нужного приходящего по радио кода). Сам приемник потребляет меньше 5mA, но может при этом переключить ток до 12A при напряжении 36V, что составит 360 ватт! 7 — два мощных 135-ваттных транзистора 2N3055 от старого усилителя звука, со своим родным радиатором. Это устаревшие биполярные транзисторы, и они не настолько эффективны, как современные транзисторы MOSFET. Однако два таких транзистора в некоторых случаях могут заменить один IRFP450, чтобы коммутировать больше 75 ватт мощности. 8 — приемник кода RC от большой детской радиоуправляемой игрушки — автомобиля. Использует два одинаковых реле для прямого и обратного хода двигателя машинки. Странно, что эти реле системы SPDT, что означает, что у них не используются контакты N/C. 9 — два реле системы DPDT, которые эквивалентны 4 отдельным реле (в каждом из этих реле по 2 контактные группы). Электронные ключи применяются в тех случаях, когда использование простых кнопок и выключателей неудобно или невозможно — например, для запуска автомобильного стартера, или для выключения ядерного реактора, или в электронных проектах, которые по радиосигналу могут управлять включением/выключением освещения или приводом гаражной двери. В этом руководстве будет сделана попытка объяснить самым простым языком, как работают такие электронные ключи. И начнем с самого простого — реле. [Что такое электронное реле] Если коротко, то реле представляет из себя электромагнит, который управляет замыканием контактов. Работает это точно так же, как если бы контакты замыкались механическим нажатием кнопки, но в случае реле усилие для замыкания берется от магнитного поля обмотки реле. Выходные контакты реле могут управлять очень большой электрической мощностью — на порядки большей, чем прикладываемая мощность к обмотке электромагнита реле. При этом входная цепь обмотки (где действует слабый управляющий ток) полностью изолирована от выходной мощной цепи, что очень важно для безопасного управления высоковольтными нагрузками (220, 380 V и выше). Чаще всего у реле есть 5 контактов — вход 1 (на анимационном рисунке помечен +), вход 2 (на рисунке помечен как -), COM (COMmon, общий контакт), N/O (Normally Open, по умолчанию разомкнуто, когда обмотка не получает питание), N/C (Normally Closed, по умолчанию замкнуто, когда обмотка не получает питание). Чтобы лучше понять работу реле, вспомним, что эти контакты означают и для чего нужны: Вход 1: один из концов обмотки электромагнита реле, в нашем примере это вход для положительного полюса входного тока для обмотки. Когда на этот контакт приложен плюс напряжения (достаточного, чтобы реле сработало) относительно контакта Вход 2, то реле переключает контакты в активное состояние. Почти все реле нечувствительны к полярности входного тока, поэтому можно на Вход 1 подать +, а на Вход 2 подать минус, и наоборот, на Вход 1 подать -, а на Вход 2 подать +, и в любом случае реле нормально сработает. Некоторые реле, которые имеют массивный инерционный якорь, могут даже срабатывать от переменного входного напряжения (подробности см. в паспорте на реле). Вход 2: другой конец обмотки электромагнита реле. Все то же самое, что и для Вход 1, только полюс в нашем примере отрицательный. COM: это общий электрод выходных контактов переключателя. При срабатывании или отпускании реле этот контакт перекидывается на контакт N/O или N/C (контакты N/O и N/C работают в противофазе, т. е. COM может быть замкнут либо на N/O, либо на N/C). Контакт COM (как и контакты N/O и N/C) можете использовать по своему усмотрению для коммутации электрической нагрузки. N/C: контакт, который нормально замкнут на COM. Т. е. контакт N/C замкнут на COM, когда обмотка реле обесточена. Когда на обмотку реле подано рабочее напряжение, то контакты N/C и COM размыкаются. N/O: контакт, который нормально разомкнут с COM. Т. е. когда обмотка реле обесточена, то контакты N/O и COM разомкнуты. Когда на обмотку реле подано рабочее напряжение, то контакты N/O и COM замыкаются. Для улучшения токопроводимости и уменьшения искрения поверхности контактов часто покрывают специальными металлами и сплавами на основе серебра, никеля, ванадия, а иногда для покрытия контактов применяется даже золото или платина (если это реле для коммутации сигналов в качественной аудиоаппаратуре или высокочастотной радиотехнике). Если у Вас есть 9V батарейка (например «Крона») и обычное реле, то попробуйте подключить обмотку реле к + и — батарейки. При подключении Вы услышите щелчок, который происходит из-за притягивания якоря реле к сердечнику электромагнита и переключения контактов. При отключении обмотки от батарейки произойдет также щелчок, но слабее. При отключении контакта обмотки от батареи Вы также увидите искру, которая возникает от ЭДС самоиндукции обмотки реле. Если принцип переключения контактов все еще непонятен для Вас, то его можно представить к виде псевдокода и иллюстрирующей процесс анимационной картинки: Если input = on (Power ON, через обмотку течет ток)    COM + N/O (COM замкнут на N/O) Иначе (Power OFF, обмотка обесточена)    COM + N/C (COM замкнут на N/C) [Как использовать реле] Как было уже упомянуто, реле используется для того, чтобы маломощные устройства (электронные компоненты, устройства) могли включать и выключать устройства, которые потребляют намного больше энергии. Самый распространенный пример применения — автомобиль. Теперь Вас не должно удивлять, почему Вы слышите щелчки при включении индикаторной лампочки, потому что Вы знаете — это срабатывает электромагнит реле. Мигания лампочки может создавать маленькая микросхема таймера, например 555 timer (NE555, LM555). Таймер 555 часто используется для создания импульсов (для простого включения и выключения) на любую нужную длительность, однако эта микросхема 555 сгорит, если будет пропускать через себя ток больше 200 ма. Так что невозможно просто так, без реле, подключить индикаторные лампочки к таймеру 555, потому что даже самые маломощные лампочки потребляют 700 ма и более. Теперь, если мы будем использовать таймер 555 для включения реле, то контактами реле можно запитывать мощные индикаторные лампочки. В этом случае через микросхему таймера будет течь ток около 50 .. 100 ма, что вполне безопасно, а в силовой цепи, питающей индикаторные лампочки, могут течь токи до 5А. Если у Вас дорогая, новая машина, то мало шансов, что Вы услышите щелчки при мигании индикаторных ламп, поскольку современная тенденция — применять везде, где можно, мощные транзисторы MOSFET, а в качестве индикаторных ламп ставить экономичные светодиоды. На интерактивной flash-анимации показан простой сценарий, в котором используются оба контакта N/O и N/C, чтобы включать либо красную, либо зеленую лампу (в зависимости от того, запитана обмотка реле, или нет). Наведите курсор мыши на серый выключатель, и нажмите левую кнопку мыши. При этом красная лампа погаснет, а зеленая загорится. На следующем рисунке показан пример использования реле вместе с таймером NE555. Кратковременное замыкание кнопки S1 запускает формирование длительной выдержки времени, в течение которого реле включено, и замыкает контакты NO и C. По окончании времени выдержки схема возвращается в исходное состояние, реле обесточивается, и становятся замкнутыми контакты NC и C. Такое устройство можно использовать для включения освещения на лестнице — по истечении заданного времени свет автоматически выключится. RC-цепочка, подключенная к выводам 6 и 7 таймера NE555, определяет выдержку времени. Диод, подключенный параллельно обмотке реле, защищает микросхему таймера NE555 от опасного выброса ЭДС самоиндукции, которое возникает при обесточивании обмотки реле (обмотка обладает значительной индуктивностью). Чтобы схема работала нормально, выбирайте подходящее реле — с током срабатывания не более 200mA (это максимум, который позволяет выход микросхемы таймера) при напряжении от 4.5 до 11 вольт. Напряжение питания схемы подберите в соответствии с параметрами реле — от 5 до 12 вольт. Вместо микросхемы таймера NE555 можно использовать любой микроконтроллер AVR, например ATmega32A или ATtiny85 [4]. Микроконтроллер точно так же, как и таймер 555, может переключать свой выход с 0 на 1. Однако имейте в виду, что выходной допустимый ток у микроконтроллера существенно меньше, а выходное напряжение может меняться только в пределах от 0 до 5V. Например, для ATmega32A выходной ток не может превышать 40mA на один порт. Поэтому в общем случае для усиления порта микроконтроллера используют транзисторные ключи [2]. Вход транзисторного ключа подключен к микроконтроллеру, а выход — к обмотке реле. [Что такое транзистор] В предыдущем разделе мы упомянули транзисторы в качестве усилителя / буфера сигналов от микроконтроллера. Но не успели разобраться, как транзисторы выглядят и по какому принципу работают. На фото показан внешний вид транзисторов различного назначения. Транзистор на сегодняшний день все еще часто используется в электронных схемах, и он является одним из элементарных компонентов радиоэлектроники (наряду с диодами, резисторами и конденсаторами). Несмотря на то, что принцип работы транзистора для новичка трудно понять с первого раза, транзистор по сути очень прост и очень хорошо работает вместе с реле. Как Вы уже наверное заметили, у транзистора 3 ножки, и простые биполярные транзисторы бывают двух типов: PNP и NPN. Самыми первыми появились транзисторы PNP, и они изготавливались на основе полупроводника германия. Потом освоили изготовление транзисторов из кремния, и более распространенными стали транзисторы структуры NPN. Транзисторы обеих структур (PNP и NPN) работают по одинаковому принципу, отличие только в полярности рабочего напряжения питания, и в некоторых параметрах. В настоящее время чаще используют транзисторы NPN. В ключевых схемах назначение транзистора то же самое, что и у реле. Когда слабый открывающий ток течет через эмиттерный переход (между базой Б и эмиттером Э), то канал между коллектором (К) и эмиттером (Э) открывается, и может пропускать ток больше базового в десятки и сотни раз. Эмиттер в этом случае играет роль общего электрода, и для транзисторов NPN в ключевом режиме эмиттер часто подключен к общему отрицательному проводу питания, к земле GND. Транзисторы иногда используют вместо реле, и они переключают большую мощность, как и реле, от слабого сигнала. Но в отличие от реле, скорость переключения транзисторов может быть очень высокой (время перехода из выключенного состояния во включенное и наоборот очень мало), поэтому их применяют для управления звуковыми динамиками и импульсными трансформаторами в ключевых источниках питания. Большинство самых обычных транзисторов могут переключаться со скоростью 1 миллион раз в секунду. Транзисторы также выгодно отличаются от реле малыми габаритами, поэтому они могут использоваться в тех местах, где реле использовать невозможно или непрактично. Однако транзисторы могут быть повреждены сильными электромагнитными полями, статическим электричеством и перегревом, что накладывает определенные ограничения на области применения транзисторов. [Как работает транзистор] Транзистор работает усилителем мощности. На вход прикладывается маленькая управляемая мощность, а на выходе снимается в десятки и даже сотни раз бОльшая мощность. Это происходит за счет изменения сопротивления между выводами коллектора и эмиттера в зависимости от тока, который протекает между базой и эмиттером. К сожалению, расположение выводов базы, эмиттера и коллектора (цоколевка) может меняться от одного типа транзистора к другому, так что для того, чтобы понять, где база, а где эмиттер и где коллектор, обращайтесь к документации на транзистор. Есть способы, позволяющие с помощью тестера определить цоколевку, но это существенно сложнее, чем просто заглянуть в даташит. Транзисторы, в отличие от реле, могут открываться не полностью (иметь некое сопротивления канала эмиттер — коллектор), что прямо пропорционально току, протекающему через базу. Эту пропорцию называют коэффициент усиления тока транзистора, h21Э. Например, если коэффициент усиления транзистора равен 100, то при токе 1mA, протекающем через базу, ток через канал коллектор — эмиттер может достигать 100mA, что на техническом языке называют усилением. Транзистор, также в отличие от реле, может сильно нагреваться при протекании через него тока. Обычно высокий нагрев получается при большой рассеиваемой мощности на сопротивлении канала коллектор — эмиттер, когда транзистор не полностью открыт. Поэтому нагрев и потери мощности минимальные тогда, когда транзистор либо полностью закрыт, либо полностью открыт. Все транзисторы имеют некий порог входного напряжения, по превышении которого транзистор начинает открываться. Для большинства обычных кремниевых биполярных транзисторов это напряжение составляет 0.5 .. 0.8V. Для германиевых транзисторов это напряжение меньше, и составляет около 0.2 .. 0.4V. Иногда этот порог называют напряжением отсечки. Если входное напряжение ниже напряжения отсечки, то ток через каналы база — эмиттер и коллектор — эмиттер не течет, транзистор полностью закрыт. Также все транзисторы имеют максимальный входной ток, после превышения которого эффект усиления перестает проявляться. Т. е. выше этого порога усиление перестает проявляться, выходной ток перестает расти. При этом напряжение между базой и эмиттером близко и даже выше напряжения между коллектором и эмиттером. Такое состояние транзистора называют насыщением, и при этом считается, что транзистор полностью открыт. В этой статье мы рассматриваем применение транзистора в качестве электронного ключа, поэтому будут использоваться только два состояния транзистора — либо он полностью закрыт (состояние отсечки тока), либо полностью открыт (состояние насыщения). Ниже приведена анимация, упрощенно показывающая общий принцип работы транзистора. Обратите внимание, что ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, причем ток базы в 100 раз меньше тока коллектора (коэффициент усиления тока равен 100). По этой картинке можно проще понять, почему малого тока базы достаточно, чтобы открыть силовой канал проводимости коллектор — эмиттер (потому что маленький входной ток как бы открывает вентиль основного канала). Также можно условно понять состояние насыщения — поток воды переполняет трубу, и труба не может пропустить через себя воды больше, чем позволяет диаметр трубы. Конечно же, такое представление является упрощенным, очень приблизительно отражающим реальные процессы, которые происходят в транзисторе. [Как использовать транзистор] Очень часто транзистор используется как электронный ключ. Когда управляющий ток течет между базой и эмиттером, открывается силовой канал между эмиттером и коллектором, сопротивление между эмиттером и коллектором резко падает. К примеру, можно включать/выключать светодиоды в зависимости от сигнала тока, приходящего от таймера 555 (как на анимации ниже) или от микроконтроллера. Между управляющим выходом таймера 555 (или выходным портом микроконтроллера) и базой транзистора почти всегда ставят токоограничивающий защитный резистор (на этой анимации для упрощения резистор не показан). Для упрощения также не показаны токоограничительные резисторы, которые должны стоять последовательно с каждым светодиодом. Ранее уже упоминалась возможность управлять реле с помощью микроконтроллера. Для этого обычно также применяются транзисторы. Ниже приведена простая схема на транзисторе KT315 (его можно заменить аналогом на BC547), предназначенная для коммутации сетевой нагрузки 220V с помощью реле (это может быть лампа, или нагреватель, или асинхронный двигатель). Диод VD1 нужен для предотвращения повреждения транзистора высоковольтным импульсом ЭДС самоиндукции, который возникает при обесточивании обмотки реле. [Общие замечания по применению реле и транзисторов] Реле бывают с самыми разными параметрами, определяющими его назначение и область применения. Чем реле мощнее (то есть чем больше ток и напряжение, которое реле может коммутировать), тем больше размеры реле из-за увеличения размеров электромагнита и контактной группы. Чем реле больше по размеру, тем оно будет требовать бОльшей мощности для управления. Поэтому старайтесь подобрать реле, наиболее подходящее Вам по параметрам. Важно также подобрать нужное напряжение источника питания для реле. Если напряжение будет слишком низким, то реле не будет надежно срабатывать (или не будет срабатывать вовсе). Если напряжение будет слишком большим, то на обмотке реле будет рассеиваться слишком большая мощность, обмотка будет перегреваться и реле может выйти из строя. Чтобы правильно выбрать напряжение питания обмотки реле, см. параметры реле в его паспорте или даташите. Для управления реле с помощью микроконтроллера применяйте транзисторы в качестве буферных ключей. Вы могли бы задаться вопросом — в чем разница между мощными, обычными биполярными транзисторами и транзисторами MOSFET. Мощные транзисторы могут выдержать бОльшие токи и напряжения, и имеют специальные корпуса (обычно максимальные токи порядка 10 .. 20A, и напряжения до 600V и более). Корпус мощного транзистора рассчитан на крепление к теплоотводящей поверхности (например, радиатору). Обычные транзисторы имеют простые пластмассовые миниатюрные корпуса, и могут обычно выдерживать напряжения до 150V и токи до 2A. Транзистор MOSFET, несмотря на то, что принцип его работы и параметры абсолютно отличаются от традиционных биполярных транзисторов, применяются для тех же целей, что и биполярные транзисторы. Ниже приведен пример схемы для управления реле на транзисторе MOSFET. Под транзисторами MOSFET часто подразумевают мощные транзисторы. Действительно, параметры у MOSFET значительно превышают параметры биполярных транзисторов по току и напряжению. В закрытом состоянии сопротивление канала сток — исток транзисторов MOSFET близко к бесконечности, а в открытом состоянии падает практически до нуля. Поэтому транзисторы MOSFET могут безопасно работать при переключении очень больших мощностей, выделяя при этом малое количество тепла. Транзисторы MOSFET, как и биполярные, могут плавно изменять сопротивление силового канала, однако это сопротивление зависит от входного напряжения, а не от входного тока. Во многих случаях можно с небольшими модификациями схемы заменить биполярный транзистор на транзистор MOSFET. Обратная замена возможна далеко не всегда. Меня наверное можно назвать «радиоэлектронным старьевщиком». Не могу равнодушно мимо любой выброшенной радиоэлектронной железки — хочется забрать домой, починить или хотя бы разобрать на запчасти. В старой аппаратуре можно найти реле и транзисторы, вполне работоспособные и достойные лучшей участи, чем гниение на свалке. Реле могут стоять в микроволновых печах, кондиционерах, телевизорах, холодильниках, источниках бесперебойного электропитания, музыкальных центрах, радиоуправляемых игрушках. Транзисторы встречаются почти в любой электронной аппаратуре, и последнее время все больше встречаются транзисторы с планарным монтажом на плату (SMD), а транзисторы со штыревыми выводами встречаются реже. [Что обозначают аббревиатуры SPDT, SPST, DPST, DPDT] Аббревиатура Расшифровка аббревиатуры Обозначение в Великобритании Обозначение в США Описание Графический символ SPST Single pole, single throw One-way Two-way Простой выключатель, имеющий два положения — включено или выключено. Два контакта могут быть либо замкнуты друг с другом, либо разомкнуты. Применяется, например, для включения освещения. SPDT Single pole, double throw Two-way Three-way Простой переключатель. Общий контакт C (COM, Common) соединяется либо с контактом L1, либо с L2. SPCO SPTT Single pole changeover или Single pole, triple throw     По контактам то же самое, что и SPDT. Некоторые производители реле используют SPCO/SPTT для обозначения переключателей, имеющих выключенное среднее, центральное положение, в котором все контакты разомкнуты. DPST Double pole, single throw Double pole Double pole То же самое, что и две отдельных контактных группы SPST, управляемые одновременно одним механизмом. DPDT Double pole, double throw     То же самое, что и две отдельных контактных группы SPDT, управляемые одновременно одним механизмом. DPCO Double pole changeover или Double pole, centre off     По контактам эквивалентно DPDT. Некоторые производители используют DPCO для обозначения переключателей, имеющих среднее, выключенное положение.     Intermediate switch Four-way switch Переключатель DPDT, имеющий внутреннее соединение контактов таким образом, что переключение меняет полярность подведенного напряжения. Используется редко. [Ссылки] 1. How Electronic Switches Work For Noobs: Relays and Transistors site:instructables. com. 2. usb-Relay — маленькое USB-устройство, управляющее включением и выключением реле. 3. Транзистор — это просто. Очень хорошие видеоуроки, объясняющие принцип работы полупроводников. 4. Доступ к портам I/O AVR на языке C (GCC, WinAVR). 5. Как работают транзисторы MOSFET.

Работа транзистора как переключателя

В этом руководстве по транзистору мы узнаем о работе транзистора как переключателя. Переключение и усиление — это две области применения транзисторов и транзисторов, поскольку коммутатор является основой для многих цифровых схем.

Введение

Как одно из важных полупроводниковых устройств, транзистор нашел применение в огромных электронных приложениях, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления.Как в цифровой, так и в аналоговой областях транзисторы широко используются для различных приложений, таких как усиление, логические операции, переключение и т. Д.

Эта статья в основном концентрируется и дает краткое объяснение применения транзистора в качестве переключателя.

Биполярный транзистор или просто BJT — это трехслойный полупроводниковый прибор с тремя выводами и двумя переходами. Почти во многих приложениях эти транзисторы используются для двух основных функций, таких как переключение и усиление.

Название «биполярный» указывает на то, что в работе БЮТ участвуют два типа носителей заряда. Эти два носителя заряда являются дырками и электронами, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области: базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер представляет собой сильно легированный вывод и испускает электроны в базу. Вывод базы слегка легирован и передает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор.Клемма коллектора промежуточно легирована и собирает электроны с базы. Этот коллектор больше по сравнению с двумя другими областями, поэтому он рассеивает больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP, оба функционируют одинаково, но различаются по смещению и полярности питания. В транзисторе PNP между двумя материалами P-типа материал N-типа зажат, тогда как в случае транзистора NPN материал P-типа зажат между двумя материалами N-типа. Эти два транзистора могут иметь разные типы, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая базовая конфигурация.

НАЗАД В начало

Режимы работы транзисторов

В зависимости от условий смещения, таких как прямое или обратное, транзисторы имеют три основных режима работы, а именно области отсечки, активности и насыщения.

Активный режим

В этом режиме транзистор обычно используется как усилитель тока. В активном режиме два перехода смещены по-разному, что означает, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении.В этом режиме между эмиттером и коллектором протекает ток, и величина протекания тока пропорциональна току базы.

Режим отсечки

В этом режиме и коллектор-база, и эмиттер-база имеют обратное смещение. Это, в свою очередь, не позволяет току течь от коллектора к эмиттеру, когда напряжение база-эмиттер низкое. В этом режиме устройство полностью выключено, в результате ток, протекающий через устройство, равен нулю.

Режим насыщенности

В этом режиме работы переходы база эмиттера и база коллектора смещены в прямом направлении.Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру при высоком напряжении база-эмиттер. В этом режиме устройство полностью включено.

На рисунке ниже показаны выходные характеристики BJT-транзистора. На приведенном ниже рисунке область отсечки имеет рабочие условия, такие как нулевой выходной ток коллектора, нулевой базовый входной ток и максимальное напряжение коллектора. Эти параметры приводят к образованию большого обедненного слоя, который также не позволяет току течь через транзистор. Следовательно, транзистор полностью выключен.

Аналогично, в области насыщения транзистор смещен таким образом, что прикладывается максимальный ток базы, что приводит к максимальному току коллектора и минимальному напряжению коллектор-эмиттер. Это приводит к уменьшению размера обедненного слоя и пропусканию максимального тока через транзистор. Следовательно, транзистор полностью открыт.

Следовательно, из приведенного выше обсуждения, мы можем сказать, что транзисторы можно заставить работать как твердотельный переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, работая транзистором в областях отсечки и насыщения.Этот тип коммутационного приложения используется для управления двигателями, ламповыми нагрузками, соленоидами и т. Д.

НАЗАД В начало

Транзистор как переключатель

Транзистор используется для переключения при размыкании или замыкании цепи. Твердотельное переключение этого типа обеспечивает значительную надежность и меньшую стоимость по сравнению с обычными реле.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы NPN и PNP. В некоторых приложениях в качестве переключающего устройства используется силовой транзистор, тогда может потребоваться другой транзистор уровня сигнала для управления мощным транзистором.

NPN-транзистор как переключатель

На основе напряжения, приложенного к клемме базы, выполняется операция переключения транзистора. Когда между базой и эмиттером приложено достаточное напряжение ( _{В в} > 0,7 В), напряжение коллектор-эмиттер примерно равно 0. Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание. Коллекторный ток V _cc / R _c протекает через транзистор.

Аналогичным образом, когда на вход не подается напряжение или нулевое напряжение, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь.В этом типе коммутационного подключения нагрузка (здесь светодиодная лампа) подключается к коммутационному выходу с контрольной точкой. Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

НАЗАД В начало

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим приведенный ниже пример, где сопротивление базы R _b = 50 кОм, сопротивление коллектора R _c = 0,7 кОм, V _cc составляет 5 В, а значение бета составляет 125.На базовом входе подается сигнал, изменяющийся от 0 до 5 В, поэтому мы собираемся увидеть выход на коллекторе, изменяя V _и в двух состояниях: 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I _c = V _cc / R _c при V _CE = 0

I _c = 5 В / 0,7 кОм

I _c = 7,1 мА

Базовый ток I _b = I _c / β

I _b = 7,1 мА / 125

Я _b = 56.8 мкА

Из приведенных выше расчетов максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда Vce равно нулю. И соответствующий ток базы, по которому протекает ток коллектора, составляет 56,8 мкА. Таким образом, очевидно, что когда ток базы увеличивается выше 56,8 мкА, транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на входе подается нулевое напряжение. Это вызывает нулевой ток базы, и, поскольку эмиттер заземлен, переход базы эмиттера не смещен в прямом направлении.Таким образом, транзистор находится в выключенном состоянии, а выходное напряжение коллектора равно 5 В.

Когда V _i = 0 В, I _b = 0 и I _c = 0,

V _c = V _cc — (I _c R _c )

= 5 В — 0

= 5 В

Предположим, что приложенное входное напряжение составляет 5 вольт, тогда базовый ток можно определить, применив закон Кирхгофа для напряжения.

Когда V _i = 5V

I _b = (V _i — V _до ) / R _b

Для кремниевого транзистора _{V будет} = 0.7 В

Таким образом, I _b = (5 В — 0,7 В) / 50 кОм

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, базовый ток превышает 56,8 мкА, транзистор будет доведен до насыщения, которое полностью включено, когда на входе подается 5 В. Таким образом, выход коллектора становится примерно нулевым.

НАЗАД В начало

PNP-транзистор как переключатель

Транзистор

PNP работает так же, как NPN для операции переключения, но ток течет от базы.Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. Для транзистора PNP клемма базы всегда имеет отрицательное смещение по отношению к эмиттеру. При этом переключении базовый ток течет, когда базовое напряжение более отрицательное. Просто низкое напряжение или более отрицательное напряжение приводит к короткому замыканию транзистора, в противном случае он будет иметь разомкнутую цепь или состояние с высоким импедансом.

В связи с этим, нагрузка подключена к выходу коммутационного транзистора с опорной точкой. Когда транзистор включен, ток течет от источника через транзистор к нагрузке и, наконец, к земле.

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

Подобно схеме транзисторного переключателя NPN, вход схемы PNP также является базой, но эмиттер подключен к постоянному напряжению, а коллектор подключен к земле через нагрузку, как показано на рисунке.

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру путем соединения базы на отрицательной стороне и эмиттера на положительной стороне входного источника питания. Таким образом, напряжение V _BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера по отношению к коллектору положительное (V _CE положительное).

Следовательно, для проводимости транзистора эмиттер должен быть более положительным как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе. Другими словами, база должна быть более отрицательной по отношению к эмиттеру.

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I _c = I _e — I _b

I _c = β. Я _б

I _b = I _c / β

Рассмотрим приведенный выше пример, что нагрузка требует тока 100 мА, а бета-значение транзистора равно 100. Тогда ток, необходимый для насыщения транзистора, равен

.

Минимальный базовый ток = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

Следовательно, когда базовый ток равен 1 мА, транзистор будет полностью открыт. Но для гарантированного насыщения транзистора требуется практически на 30 процентов больше тока. Итак, в этом примере требуемый базовый ток составляет 1,3 мА.

НАЗАД В начало

Общие практические примеры транзистора в качестве переключателя

Транзистор

для переключения светодиода

Как уже говорилось ранее, транзистор можно использовать в качестве переключателя.На схеме ниже показано, как транзистор используется для переключения светоизлучающего диода (LED).

• Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, цепь работает как разомкнутая, и светодиод гаснет.
• Когда переключатель замкнут, базовый ток начинает течь через транзистор, а затем переходит в состояние насыщения, и светодиод загорается.

Резисторы

• устанавливаются для ограничения токов, протекающих через базу и светодиод.Также можно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.

НАЗАД В начало

Транзистор

для работы реле

Также можно управлять работой реле с помощью транзистора. С помощью небольшой схемы транзистора, способного возбуждать катушку реле, так что внешняя нагрузка, подключенная к ней, управляется.

• Рассмотрим приведенную ниже схему, чтобы узнать, как работает транзистор для возбуждения катушки реле.Входной сигнал, приложенный к базе, приводит к переходу транзистора в область насыщения, в результате чего в цепи возникает короткое замыкание. Таким образом, на катушку реле подается напряжение, и контакты реле срабатывают.
• В индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, внезапное отключение питания может поддерживать высокий потенциал на катушке. Это высокое напряжение может вызвать серьезные повреждения остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить схему от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.

НАЗАД В начало

Транзистор

для привода двигателя

• Транзистор также может использоваться для однонаправленного управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока, переключая транзистор через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
• Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также представляет собой индуктивную нагрузку, поэтому мы должны разместить на нем диод свободного хода для защиты цепи.
• Переключая транзистор в областях отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
• Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на регулируемые частоты. Мы можем получить частоту переключения от устройства управления или IC, например, микроконтроллера.

У вас есть четкое представление о том, как транзистор можно использовать в качестве переключателя? Мы подтверждаем, что предоставленная информация разъясняет всю концепцию переключения с соответствующими изображениями и примерами. В дальнейшем любые сомнения, предложения и комментарии к этому посту вы можете писать ниже.

НАЗАД В начало

ПРЕДЫДУЩАЯ — МОП-транзистор

ДАЛЕЕ — ПОЛЕВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Биполярный переходной транзистор (BJT) в качестве переключателя | Биполярные переходные транзисторы

Транзисторы с биполярным переходом (также известные как BJT) могут использоваться в качестве усилителя , фильтра, выпрямителя, генератора или даже переключателя , пример которого мы рассмотрим в первом разделе. Транзистор будет работать как усилитель или другая линейная схема, если транзистор смещен в линейную область.Транзистор можно использовать в качестве переключателя, если он смещен в областях насыщения и отсечки. Это позволяет току течь (или нет) в других частях цепи.

Поскольку ток коллектора транзистора пропорционально ограничивается его базовым током, его можно использовать как своего рода переключатель с управлением по току. Относительно небольшой поток электронов, проходящий через базу транзистора, может контролировать гораздо больший поток электронов через коллектор.

Использование BJT в качестве коммутатора: пример

Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотим включать и выключать выключателем.Такая схема была бы чрезвычайно простой, как показано на рисунке ниже (а).

Для иллюстрации давайте вставим транзистор вместо переключателя, чтобы показать, как он может управлять потоком электронов через лампу. Помните, что управляемый ток через транзистор должен проходить между коллектором и эмиттером.

Поскольку мы хотим контролировать ток через лампу, мы должны расположить коллектор и эмиттер нашего транзистора там, где были два контакта переключателя. Мы также должны убедиться, что ток лампы будет перемещаться на против в направлении стрелки эмиттера, чтобы гарантировать, что смещение перехода транзистора будет правильным, как показано на рисунке ниже (b).

(а) механический переключатель, (б) транзисторный переключатель NPN, (в) транзисторный переключатель PNP.

Для работы также можно было выбрать транзистор PNP. Его применение показано на рисунке выше (c).

Выбор между NPN и PNP действительно произвольный.Все, что имеет значение, — это поддержание правильного направления тока для правильного смещения перехода (поток электронов проходит под углом к стрелке символа транзистора).

На приведенных выше рисунках база любого BJT не подключена к подходящему напряжению, и ток не течет через базу. Следовательно, транзистор не может включиться. Возможно, самым простым способом было бы подключить переключатель между базовым и коллекторным проводами транзистора, как показано на рисунке (а) ниже.

Транзистор: а — отсечка, лампа выключена; (б) насыщенный, лампа включена.

Отсечка по сравнению с насыщенными транзисторами

Если переключатель разомкнут, как показано на рисунке (а), базовый провод транзистора останется «плавающим» (ни к чему не подключен), и ток через него не будет. В этом состоянии транзистор имеет отсечку .

Если переключатель замкнут, как показано на рисунке (b), ток сможет течь от базы к эмиттеру транзистора через переключатель.Этот базовый ток позволит протекать гораздо большему току от коллектора к эмиттеру, таким образом зажигая лампу. В этом состоянии максимального тока цепи транзистор называется насыщенным .

Конечно, использование транзистора в этом качестве для управления лампой может показаться бессмысленным. Вместо транзистора подойдет обычный переключатель.

Зачем использовать транзистор для управления током?

Здесь можно отметить два момента. Во-первых, это тот факт, что при использовании таким образом контактам переключателя необходимо управлять только тем небольшим током базы, который необходим для включения транзистора; сам транзистор обрабатывает большую часть тока лампы. Это может быть важным преимуществом, если переключатель имеет низкий номинальный ток: небольшой переключатель может использоваться для управления относительно сильноточной нагрузкой.

Что еще более важно, управление током транзистора позволяет нам использовать что-то совершенно другое для включения или выключения лампы.Рассмотрим рисунок ниже, на котором пара солнечных элементов обеспечивает 1 В, чтобы преодолеть напряжение 0,7 В база-эмиттер транзистора, чтобы вызвать ток базы, который, в свою очередь, управляет лампой.

Солнечный элемент служит датчиком освещенности.

Или мы могли бы использовать термопару (многие из которых соединены последовательно), чтобы обеспечить необходимый базовый ток для включения транзистора, показанного на рисунке ниже.

Одна термопара обеспечивает менее 40 мВ.Многие подключенные последовательно могут производить транзистор V _BE с напряжением более 0,7 В, чтобы вызвать ток базы и, как следствие, ток коллектора в лампе.

Даже микрофон (см. Рисунок ниже) с достаточным выходом напряжения и тока (от усилителя) мог бы включить транзистор, при условии, что его выход выпрямляется из переменного в постоянный, так что PN-переход эмиттер-база внутри транзистора всегда будет смещенный вперед:

Усиленный микрофонный сигнал выпрямляется до постоянного тока для смещения базы транзистора, обеспечивая больший ток коллектора.

К настоящему моменту суть должна быть очевидна. Для включения транзистора можно использовать любой достаточный источник постоянного тока, и этот источник тока должен составлять лишь часть тока, необходимого для включения лампы.

Здесь мы видим, что транзистор работает не только как переключатель, но и как усилитель t rue: для управления относительно большим количеством мощности используется сигнал относительно малой мощности. Обратите внимание, что фактическая мощность для зажигания лампы исходит от батареи, расположенной справа от схемы.Это не значит, что слабый сигнальный ток от солнечного элемента, термопары или микрофона волшебным образом преобразуется в большее количество энергии. Скорее, эти небольшие источники энергии просто контролируют мощность батареи, чтобы зажечь лампу.

BJT как переключатель ОБЗОР:

• Транзисторы могут использоваться в качестве переключающих элементов для управления мощностью постоянного тока нагрузки. Коммутируемый (управляемый) ток проходит между эмиттером и коллектором; управляющий ток проходит между эмиттером и базой.
• Когда транзистор пропускает через него нулевой ток, говорят, что он находится в состоянии отсечки (полностью непроводящий).
• Когда транзистор имеет максимальный ток через него, говорят, что он находится в состоянии насыщения (полностью проводящий).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

Транзистор — это электронный компонент, который также используется как цифровой переключатель. Хотя работает он так же, как простой механический переключатель.Но цифровой сигнал с высокой логикой управляет этим переключателем по сравнению с традиционными кнопками. Мы управляем традиционными переключателями вручную, применяя механическую силу.

Введение в транзистор

Мы разрабатываем этот цифровой коммутатор, соединяя полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом. Когда мы комбинируем полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом, между ними образуется переход. Этот переход также известен как PN-переход или транзистор.Этот PN-переход контролирует поток тока через соединение. Но этот переход разрывается из-за подачи правильного напряжения смещения на контакты транзистора.

Транзисторы бывают двух типов, таких как NPN и PNP. Это трехполюсное устройство. Эти терминалы:

• База (при использовании в качестве переключателя мы применяем управляющую логику к этой клемме)
• Коллектор
• Излучатель

Когда мы прикладываем напряжение смещения к клемме базы, PN-переход выходит из строя. После этого ток может течь между выводами коллектора и эмиттера. В противном случае прямой ток не может проходить через устройство.

можно проверить эти практичные транзисторы: 2N2222, MPSA42, 2N3906

Использование транзистора в качестве переключателя

Теперь узнаем:

• Как использовать транзистор в качестве переключателя в схемах электроники
• как использовать его в качестве переключателя в проектах микроконтроллеров.

Где использовать?

В любом приложении нам необходимо соединить транзистор с микроконтроллером . Но вопрос, который может возникнуть у вас, зачем нам нужно сопрягать транзистор с микроконтроллером? Поскольку выводы микроконтроллера не могут обеспечивать выходной ток более 3 мА и напряжение более 5 В. Если мы хотим подключить нагрузку, требующую более высокого рабочего тока, более 3 мА, микроконтроллер сгорит. Для многих устройств вывода потребуется схема переключения транзисторов для работы с нагрузкой, требующей высокого тока, такой как реле, соленоиды и двигатели.

Как им пользоваться?

На этой диаграмме показаны три рабочие области транзистора, такие как область насыщения, активная область и область отсечки.В области насыщения он остается полностью включенным. В отрезанной области он остается полностью отключенным. Для переключения нам нужно, чтобы это устройство работало либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. Следовательно, мы можем игнорировать точку Q и переключать ее между областями насыщения и обрезания.

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

Как мы видели ранее, мы можем использовать только два региона. Теперь посмотрим, как транзистор работает в этих регионах.

Область отключения также известна как полностью выключенный режим.В этом режиме он действует как разомкнутый переключатель. Чтобы устройство работало в отключенном режиме, необходимо подключить к обоим переходам напряжение обратного смещения. Следовательно, в этом рабочем состоянии ток не может протекать между выводом коллектора и эмиттера из-за разрыва цепи между этими выводами.

В области насыщения транзистор остается в полностью открытом режиме. Максимальный ток, который может протекать через коллектор к эмиттеру, зависит от номинальной емкости транзистора. Мы обеспечиваем прямое смещение напряжения между базой и выводом эмиттера.Он работает как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Напряжение смещения обычно превышает 0,7 В.

Пример цифровых логических переключателей

Это устройство на основе PN-перехода имеет много применений, таких как интерфейс с сильноточной нагрузкой, интерфейс реле и интерфейс двигателей через микроконтроллеры. Но во всех этих приложениях основная цель — переключение.

На этой схеме показан пример управления мощными нагрузками, такими как двигатели, лампы и нагреватель.

• В этой схеме мы хотим управлять нагрузкой 12 В с помощью логического логического элемента И. Но выход логического элемента И составляет всего 5 вольт
• Используя транзистор в качестве переключателя, мы можем управлять нагрузкой 12 В или даже высоким напряжением с помощью цифрового логического сигнала 5 вольт
• Мы также можем использовать эти устройства для более быстрого переключения и управление широтно-импульсной модуляцией в отличие от традиционных механических переключателей

Пример управления двигателем

В этом примере мы используем управление двигателем постоянного тока с помощью переключателя.Полупроводниковый прибор действует как переключатель. На этой схеме мы можем предоставить управляющий сигнал с любого микроконтроллера, такого как Arduino, платы разработки STM32F4.

Резистор с выводом базы является токоограничивающим резистором. Поскольку контакты GPIO любого микроконтроллера могут обеспечивать базовый управляющий ток менее 20 мА. Кроме того, D1 — это диод свободного хода, который контролирует обратную ЭДС двигателя. Обходит эффект обратной ЭДС. Мы можем использовать любой транзистор в зависимости от мощности двигателя.

В заключение, если управляющий сигнал на базовом входе равен 0 вольт. Он подаст сигнал ВКЛ. Потому что мы используем переключатель PNP в этой примерной схеме. Точно так же он останется выключенным, его управляющий сигнал будет ВЫСОКИЙ.

Транзистор как переключатель с Arduino Пример

На этой схеме показано взаимодействие Arduino с транзистором NPN и двигателем. Эта схема предназначена только для демонстрационных целей. Потому что мы обеспечиваем питание нагрузки через источник питания Arduino.В этом примере мы можем управлять только 5-вольтовым двигателем постоянного тока. Если вам нужно управлять двигателем большой мощности, следует использовать специальный силовой транзистор и отдельный блок питания.

Транзистор как переключатель Пример моделирования Proteus

Этот пример является точной копией предыдущей схемы. Но вместо него используется транзистор NPN. Следовательно, управляющие сигналы будут действовать наоборот.

Транзистор как переключатель Примеры

В этом разделе мы увидим различные примеры использования транзистора в качестве переключателя.

Два транзистора в качестве переключателя. Пример

В этой схеме два транзистора. В первом транзисторе база заземлена, и ток в нее не может течь. В результате транзистор «выключен», и ток не может течь через лампочку. В другом случае ток течет в базу, поэтому транзистор включен, и ток может течь через него, в результате чего лампочка загорается.

В этом примере два резистора установлены так, что база транзистора находится под достаточно высоким напряжением, чтобы ток мог течь в нее, и, как следствие, транзистор включен.В результате ток течет через лампочку, которая излучает свет.

Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

В этом случае ток, протекающий в базу, можно изменять. Если ток большой, транзистор включен и лампочка горит. Если стрелка на потенциометре перемещается вниз, ток в базе падает до тех пор, пока транзистор не выключится и ток не будет течь через лампочку.

Реле управляющее с транзистором в качестве переключателя

В этом примере принцип такой же, как и в предыдущем примере схемы, за исключением того, что вместо включения и выключения лампочки активируется катушка реле, которая, в свою очередь, включает лампочки во вторичной цепи.

Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

В этой примерной схеме используется конденсатор для управления током, протекающим к клемме базы транзистора. Первоначально конденсатор заряжается через резистор над ним. В конце концов, верхняя пластина конденсатора достигает такого потенциала, что ток начинает течь в базу транзистора, включая транзистор и заставляя лампочку светиться.

Также следует отметить, что лампа остается выключенной до тех пор, пока внутри конденсатора не накопится достаточно заряда, который может обеспечить ток включения на вывод базы транзистора.

В этой примерной схеме конденсатор заряжается до тех пор, пока его нижняя пластина не будет иметь такой низкий потенциал, что ток не может течь через базу транзистора. В результате транзистор сначала включен, но через некоторое время отключается. В этой и последней схемах присутствует эффект синхронизации. Через определенный период времени, который можно определить выбором резистора и конденсатора, транзистор либо включается, либо выключается.

Схема транзистора в этом примере в качестве переключателя аналогична схеме в предыдущем примере, за исключением того, что, изменяя значение переменного резистора, можно изменять время, которое проходит до включения транзистора.

Видеолекция

В приведенной выше схеме логический пробник используется в качестве входа от микроконтроллера, а диод D1 используется в качестве свободно вращающегося диода, позволяющего току течь, когда устройство находится в выключенном состоянии. Помните, что мы использовали 3904 только для демонстрации. При выборе транзисторов следует учитывать максимальный ток, который может протекать через транзистор во включенном состоянии. Вход микроконтроллера просто используется для управления транзистором во включенном или выключенном состоянии, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, что обычно к выходному устройству подключают диод подавления обратной ЭДС. Это важно для таких устройств, как реле, соленоиды и двигатели, которые создают обратную ЭДС, когда остается питание для отключения.

На практике мы использовали в основном реле для сильноточных нагрузок. В этом случае транзистор, используемый для управления реле и нагрузкой, соединен с реле.

Транзистор как переключатель Применения

• Контроллер высоковольтных ламп, двигателей и нагревателей
• Высокочастотное переключение с широтно-импульсной модуляцией
• Действует как усилитель

Статьи по теме:

Схема транзисторного переключателя

NPN | Sully Station Technologies

Концепция работы

Схема демонстрирует использование транзистора в качестве переключателя.Переключатель транзисторов здесь реализован с использованием транзистора PN2222A NPN (вариант 2N2222A), но многие обычные транзисторы с биполярным переходом NPN могут быть заменены.

Транзистор настроен в так называемой конфигурации с общим эмиттером. В этой конфигурации вход, подаваемый на базу транзистора, приводит к протеканию напряжения и тока через переход коллектор-эмиттер, которые пропорциональны этому входу. Распиновка транзистора PN2222A представлена ​​в разделе ниже.Контакты обозначены буквами E (эмиттер), B (база) и C (коллектор).

Схемы с общим эмиттером часто используются для усилителей, где аналоговый вход на базе, такой как радиосигнал, дает пропорциональный, но больший выходной сигнал. Однако при использовании в качестве переключателя схема спроектирована так, что транзистор либо полностью открыт, либо полностью выключен.

В представленном здесь транзисторном переключателе состояние схемы контролируется ручным кнопочным переключателем. Когда переключатель разомкнут, на базе транзистора нет тока, и поэтому ток коллектора фактически равен нулю, и говорят, что транзистор находится в состоянии отсечки или полностью выключен.Когда переключатель замкнут, максимальный ток на базе и, следовательно, максимальный ток коллектора. Транзистор считается насыщенным или полностью открытым.

Выход схемы — это напряжение, подаваемое на светодиод между транзистором и резистором 1 кОм, соединяющим схему с землей. Транзистор здесь работает как переменный резистор, образующий делитель напряжения с резистором 1 кОм. Когда транзистор находится в состоянии отсечки, сопротивление транзистора чрезвычайно велико, напряжение на светодиоде фактически равно нулю, и он темный.Когда транзистор насыщен, его сопротивление становится очень низким, на светодиоде присутствует высокое напряжение, и он горит.

BJT устройство как коммутатор [Analog Devices Wiki]

Эта версия (16 июня 2013 г., 03:40) была утверждена Дугом Мерсером.

Цель:

Транзистор с биполярным переходом (BJT) может использоваться во многих конфигурациях схем, таких как усилитель, генератор, фильтр, выпрямитель, или просто использоваться как двухпозиционный переключатель.Если транзистор смещен в линейную область, он будет работать как усилитель или другая линейная схема, если смещен поочередно в областях насыщения и отсечки, то он используется как переключатель, позволяя току течь или не течь. в других частях схемы. В этой лабораторной работе описывается BJT, работающий как переключатель.

Фон:

Цепи переключения существенно отличаются от линейных цепей. Их также легче понять. Прежде чем исследовать более сложные схемы, мы начнем с представления дискретных твердотельных переключающих схем: построенных на основе BJT.

Переключатель состоит из BJT-транзистора, который попеременно управляется между областями насыщения и отсечки. Простая версия переключателя показана на рисунке 1. Когда входной сигнал равен — В, , _в , переход база-эмиттер смещен в обратном направлении или отключен, поэтому ток в коллекторе не течет. Это иллюстрируется линией нагрузки, показанной на рисунке. Когда BJT находится в отключенном состоянии, схема (в идеале) имеет следующие значения:

V _CE = V _CC и I _C = 0 A

Это состояние похоже на разомкнутый переключатель.

Когда входной сигнал равен + В, _в , транзистор переводится в состояние насыщения, и возникают следующие условия:

V _CE ~ 0 В и I _Csat = V _CC / R _C

Это состояние похоже на замкнутый переключатель, соединяющий нижнюю часть R _C с землей.

Рисунок 1 Переключатель NPN BJT и его линия нагрузки.

Характеристики переключателя BJT предполагают, что:

1. — В _в достаточно мало, чтобы транзистор перешел в режим отсечки.
2. + В _в должен производить достаточный базовый ток через R _B , чтобы перевести транзистор в состояние насыщения.

3. Транзистор — идеальный компонент.

Эти условия можно обеспечить, спроектировав схему так, чтобы:

2. + V _дюйм = V _BE + I _B R _B ( V _CC — хороший максимум)

3. I _B > I _Csat / ß

Условие 1 гарантирует, что схема будет переведена в область отсечки входом.Условия 2 и 3 гарантируют, что транзистор будет переведен в область насыщения.

Настоящий переключатель BJT отличается от идеального переключателя по нескольким аспектам. На практике даже в режиме отсечки через транзистор есть ток утечки. Кроме того, во время насыщения на внутреннем сопротивлении транзистора всегда падает некоторое напряжение. Как правило, это будет от 0,2 до 0,4 В в насыщении в зависимости от тока коллектора и размера устройства. Эти отклонения от идеала, как правило, незначительны для устройства правильного размера, поэтому мы можем предположить, что условия близки к идеальным, при анализе или проектировании схемы переключателя BJT.

Материалы:

Аппаратное обеспечение лаборатории Analog Discovery
Макетная плата без пайки
1 — Резистор 6,8 кОм (R _B )
1 — Резистор 100 Ом (R _C )
1 — Светодиод 5 мм (любого цвета)
1 — малосигнальный транзистор NPN ( 2N3904)

Направления:

Одним из распространенных применений переключателя BJT (или любого другого) является управление светодиодом. Драйвер светодиода показан на рисунке 2. Драйвер, показанный на этом рисунке, используется для соединения слаботочной части схемы с относительно сильноточным устройством (светодиодом).Когда на выходе из слаботочной цепи низкий уровень (0 В ), транзистор находится в отключенном состоянии и светодиод не горит. Когда на выходе из слаботочной цепи появляется высокий уровень (+3,3 В ), транзистор переводится в состояние насыщения и загорается светодиод. Драйвер используется, потому что слаботочная часть схемы может не иметь возможности по току для подачи 20 мА (типично), необходимых для освещения светодиода на полную яркость.

Постройте схему переключателя светодиодов, показанную на рисунке 2, на беспаечной макетной плате.R _C служит для ограничения тока, протекающего через светодиод от источника питания +5 V (Vp). Переключатель управляется цифровым выходом DO от разъема Discovery. Канал осциллографа 1 будет отображать напряжение на переключающем транзисторе Q ₁ ( В, _CE ), а канал осциллографа 2 будет отображать напряжение на светодиоде.

Настройка оборудования:

Откройте экран цифрового управления статическим вводом / выводом из главного окна запуска Waveforms.Настройте DIO-0, щелкнув по нему правой кнопкой мыши и выбрав опцию Push / Pull Switch. Также откройте окно осциллографа или вольтметра.

Процедура:

Наблюдайте за светодиодом, когда вы меняете переключатель в окне управления цифровым вводом / выводом. Запишите напряжение на транзисторе коллектор-эмиттер (канал 1) и на светодиоде (канал 2) для каждого положения переключателя и включите их в описание своей лаборатории.

Вопросы:

Транзистор

как переключатель

Все мы знаем, что транзистор имеет 4 режима работы, в которых обычно используются активная, отсечка и насыщенность.При работе в качестве усилителя транзистор работает в активной области. Когда транзистор работает как переключатель, он работает в областях отсечки и насыщения. В состоянии отсечки соединения эмиттерной базы и коллекторной базы имеют обратное смещение. Но в области насыщения оба перехода смещены вперед. Переключатель — очень полезное и важное применение транзисторов. В большинстве цифровых ИС транзисторы будут работать как переключатель, чтобы снизить энергопотребление. Это также очень полезная схема для любителей электроники, поскольку ее можно использовать в качестве драйвера, инвертора и т. Д..

Транзистор как переключатель Принципиальная схема

Из приведенной выше схемы мы можем видеть, что управляющий вход Vin подается на базу через токоограничивающий резистор Rb, а Rc — резистор коллектора, который ограничивает ток через транзистор. В большинстве случаев выход снимается с коллектора, но в некоторых случаях нагрузка подключается вместо Rc.

• ВКЛ = насыщенность
• ВЫКЛ = отсечка

Транзистор как переключатель — ВКЛ

Транзистор как переключатель

Транзистор перейдет в состояние ВКЛ (насыщение), когда на вход подается достаточное напряжение V.В этом состоянии напряжение коллектор-эмиттер Vce будет примерно равно нулю, т.е. транзистор действует как короткое замыкание. Для кремниевого транзистора он равен 0,3 В. Таким образом, будет течь ток коллектора Ic = Vcc / Rc .

Транзистор как переключатель — ВЫКЛ.

Транзистор как выключение

Транзистор будет в выключенном состоянии (отсечка), когда вход Vin равен нулю. В этом состоянии транзистор действует как разомкнутая цепь, и, таким образом, все напряжение Vcc будет доступно на коллекторе.

Дизайн

Ток коллектора, Ic = ßIb + Iceo

, где ß — коэффициент усиления в общей конфигурации эмиттера, а lceo — ток утечки.

Ток утечки, Iceo можно пренебречь, поэтому

Ib = Ic / ß

Когда транзистор включен (область насыщения), напряжение Vce коллектор-эмиттер приблизительно равно нулю. Для кремниевого транзистора обычно 0,3 В. Таким образом, ток коллектора Ic можно записать как,

Ic = (Vcc — Vce) / Rc , то есть максимальное значение Ic, которое может проходить через контур.

Ic = Vcc / Rc , так как Vce меньше 0,3 В.

Чтобы транзистор оставался в состоянии насыщения, должен течь достаточный базовый ток Ib. Минимальный базовый ток можно определить из уравнения Ib = Ic / ß

Для обеспечения насыщения транзистора возьмем Ib ’= 10Ib

Так Rb = (Vin — Vbe) / Ib ’

Примечание: В случае транзистора PNP просто замените GND на Vcc , Vcc на GND , и транзистор будет ВКЛЮЧЕН, , когда входное напряжение Vin равно LOW .

Различные способы подключения нагрузок

Нагрузка может быть подключена к транзистору разными способами, некоторые из них показаны ниже.

Транзистор в качестве переключателя Различные способы подключения нагрузок

В случае индуктивных нагрузок, таких как реле, параллельно ему должен быть подключен обратный диод.

Расчет базового значения сопротивления

Расчетный транзистор как переключатель

Хотя транзисторы (BJT) широко используются для создания схем усилителя, их также можно эффективно использовать для коммутации.

Транзисторный ключ — это схема, в которой коллектор транзистора включается / выключается с относительно большим током в ответ на соответствующий сигнал включения / выключения низкого тока на его базовом эмиттере.

В качестве примера следующую конфигурацию BJT можно использовать в качестве переключателя для инвертирования входного сигнала для логической схемы компьютера.

Здесь вы можете обнаружить, что выходное напряжение Vc противоположно потенциалу, приложенному к базе / эмиттеру транзистора.

Кроме того, база не связана с каким-либо фиксированным источником постоянного тока, в отличие от схем на основе усилителя. Коллектор имеет источник постоянного тока, который соответствует уровням питания системы, например 5 В и 0 В в этом случае компьютерного приложения.

Мы поговорим о том, как эта инверсия напряжения может быть спроектирована, чтобы гарантировать, что рабочая точка правильно переключается с отключения на насыщение вдоль линии нагрузки, как показано на следующем рисунке:

Для настоящего сценария на рисунке выше мы имеем предполагается, что IC = ICEO = 0 мА, когда IB = 0 мкА (отличное приближение в отношении улучшения стратегии строительства).Кроме того, предположим, что VCE = VCE (sat) = 0 В вместо обычного уровня от 0,1 до 0,3 В.

Теперь при Vi = 5 В BJT включится, и при рассмотрении конструкции необходимо обеспечить высокую степень насыщения конфигурации на величину IB, которая может быть больше, чем значение, связанное с кривой IB, наблюдаемой вблизи насыщения. уровень.

Как видно из вышеприведенного рисунка, в этих условиях значение IB должно быть больше 50 мкА.

Расчет уровней насыщения

Уровень насыщения коллектора для показанной схемы можно рассчитать по формуле:

IC (sat) = Vcc / Rc

Величина базового тока в активной области непосредственно перед уровнем насыщения может быть рассчитывается по формуле:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ———- Уравнение 1

Это означает, что для реализации уровня насыщения должно выполняться следующее условие:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc ——— Уравнение 2

На графике, обсужденном выше, когда Vi = 5 В, результирующий уровень IB может быть оценен в следующий метод:

Если мы проверим уравнение 2 с этими результатами, мы получим:

Это, по-видимому, полностью удовлетворяет требуемому условию.Несомненно, любое значение IB, превышающее 60 мкА, будет допущено к проникновению через точку Q по линии нагрузки, расположенной очень близко к вертикальной оси.

Теперь, если обратиться к сети BJT, показанной на первой диаграмме, в то время как Vi = 0 В, IB = 0 мкА и предположить, что IC = ICEO = 0 мА, падение напряжения на RC будет по формуле:

VRC = ICRC = 0 В.

Это дает нам VC = +5 В для первой диаграммы выше.

В дополнение к приложениям переключения компьютерных логок, эта конфигурация BJT также может быть реализована как коммутатор с использованием тех же крайних точек линии нагрузки.

Когда происходит насыщение, ток IC имеет тенденцию становиться довольно высоким, что, соответственно, снижает напряжение VCE до самой низкой точки.

Это приводит к возникновению уровня сопротивления на двух клеммах, как показано на следующем рисунке и рассчитывается по следующей формуле:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), как показано на следующем рисунке.

Если мы предположим типичное среднее значение для VCE (sat), такое как 0,15 В в приведенной выше формуле, мы получим:

Это значение сопротивления на клеммах коллектора-эмиттера выглядит довольно маленьким по сравнению с последовательным сопротивлением в килоомах при коллекторные клеммы БЮТ.

Теперь, когда вход Vi = 0 В, переключение BJT будет отключено, в результате чего сопротивление на коллекторе-эмиттере будет:

R (отсечка) = Vcc / ICEO = 5 В / 0 мА = ∞ Ω

Это приводит к возникновению разомкнутой цепи на выводах коллектора-эмиттера. Если мы рассмотрим типичное значение 10 мкА для ICEO, значение сопротивления отсечки будет таким, как указано ниже:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 В / 10 мкА = 500 кОм

Это значение выглядит значительно большим и эквивалент разомкнутой цепи для большинства конфигураций BJT в качестве переключателя.

Решение практического примера

Рассчитайте значения RB и RC для транзисторного переключателя, сконфигурированного как инвертор ниже, учитывая, что ICmax = 10 мА

Формула для выражения насыщения коллектора:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 мА = 10 В / Rc

∴ Rc = 10 В / 10 мА = 1 кОм

Также, в точке насыщения

IB ≅ IC (насыщ.) / Βdc = 10 мА / 250 = 40 мкА

Для гарантированного насыщения выберем IB = 60 мкА, и по формуле

IB = Vi — 0.7 В / RB, получаем

RB = 10 В — 0,7 В / 60 мкА = 155 кОм,

Округляя полученный результат до 150 кОм и снова оценивая приведенную выше формулу, получаем:

IB = Vi — 0,7 V / RB

= 10 В — 0,7 В / 150 кОм = 62 мкА,

, так как IB = 62 мкА > ICsat / βdc = 40 мкА

Это подтверждает, что мы должны использовать RB = 150 кОм

Расчет Коммутационные транзисторы

Вы найдете специальные транзисторы, называемые переключающими транзисторами, из-за их высокой скорости переключения с одного уровня напряжения на другой.

На следующем рисунке сравниваются периоды времени, обозначенные как ts, td, tr и tf, с током коллектора устройства.

Влияние периодов времени на характеристику скорости коллектора определяется характеристикой тока коллектора, как показано ниже:

Общее время, необходимое транзистору для переключения из состояния «выключено» в состояние «включено», обозначено как t (on) и может быть установлено по формуле:

t (on) = tr + td

Здесь td определяет задержку, происходящую, когда входной сигнал переключения меняет состояние, а транзисторный выход реагирует на изменение.Время tr указывает окончательную задержку переключения от 10% до 90%.

Общее время, затраченное bJt из включенного состояния в выключенное состояние, обозначается как t (выключено) и выражается формулой:

t (выключено) = ts + tf

ts определяет время хранения, в то время как tf определяет время спада с 90% до 10% от исходного значения.

Ссылаясь на приведенный выше график, для BJT общего назначения, если ток коллектора Ic = 10 мА, мы можем видеть, что:

ts = 120 нс, td = 25 нс, tr = 13 нс, tf = 12 нс

, что означает t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

t (off) = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

.