Транзистор как ключ схема: Ключ на полевом транзисторе своими руками

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

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

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

И, первым делом, давайте саму схему и рассмотрим:

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

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

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

Зачем же нужен резистор в цепи базы?

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

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

U_{R_б} = E_{вх} \medspace – \medspace U_{бэ}

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы – а как его менять? Верно – изменяя сопротивление этого самого резистора! То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины “транзистор открыт” и “закрыт”. Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

• для того, чтобы закрыть транзистор, мы стремимся перевести его в режим отсечки
• а чтобы открыть – в режим насыщения

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе!

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_{вых}. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали 🙂

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к). Для коллекторной цепи мы можем записать:

U_{кэ} + I_к R_к = E_{вых}

Или:

I_к = \frac{E_{вых} \medspace – \medspace U_{кэ}}{R_к}

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор – линейный элемент (U_R = I_R R), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют –

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_{кэ} и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может 🙂

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

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

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

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

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

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

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

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

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

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

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

При этом по закону Ома:

U_{R_к} = I_к R_к

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

U_{R_к} = I_д R_к

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

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

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

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_{к} = 120\medspace Ом. Причем важно выбирать именно бОльшее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять мЕньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже 🙂

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

I_к = \frac{U_{R_к}}{R_к} \medspace = \frac{9 \medspace В \medspace – \medspace 3 \medspace В \medspace – \medspace 0.1 \medspace В}{120 \medspace Ом} \medspace\approx\medspace 49.17 \medspace мА

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

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

А падение напряжения на резисторе R_б:

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

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

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

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, мЕньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии бОльшая часть напряжения упадет на транзисторе (U_{кэ}), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним! Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

• R_{б} = 5.1\medspace КОм
• R_{к} = 120\medspace Ом

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

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

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.

виды, устройство, схемы, описание работы

Что такое ключ на транзисторах?

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 3.17). Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа.

Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, встречающегося у некоторых авторов и состоящего в том, что остаточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным».

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

Кстати нужно сказать, что наличие подобных на первый взгляд противоречивых утверждений полезно воспринимать как знак того, что выбор конкретного решения (в данном случае выбор для коммутации полевого или биполярного транзистора) следует осуществлять на основе всестороннего анализа.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18).

На схеме изображена емкость нагрузки С_н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и u_си= E_с. Если напряжение u_вх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение u_си уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Ключи на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом входят в состав различных микросхем серий 284, 504 и др.

Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_вкл зависит от сопротивления стока R_c, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_c, емкостью С_н и частотными свойствами транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т₁ называют активным, а транзисторТ₂ — нагрузочным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом u_вх < U_зи.nopoгl , где U_зи.nopoгl — пороговое напряжение для транзистора T₁. В этом случае транзистор Т₁ закрыт и через оба транзистора протекает очень малый ток (обычно не более 1 нА). При этом напряжение u_си1близко к напряжению Е_с, а напряжение u_си1 близко к нулю.

В рассматриваемом состоянии транзисторТ₂ также закрыт, хотя напряжение между затвором и истоком этого транзистора положительно (очевидно, что u_зи2 = u_си2). Но соотношение между параметрами транзисторов обеспечивается именно такое, чтобы в закрытом состоянии ключа выполнялось соотношение u_си1= Е_с.

По крайней мере очевидно, что напряжение u_си2не может быть больше порогового напряжения U_зu.nopoг2 для транзистора Т₂, иначе бы транзистор Т₂ открылся и напряжение на нем уменьшилось.

Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При этом u_вх> u_{зи.порог1}. Транзистор Т₁ открыт и напряжение u_си1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т₂ близко к напряжению питания.

В рассматриваемом состоянии транзистор Т₂ также открыт, при этом u_зи2= u_си2= Е_с. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т₂ была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T₁ .Именно поэтому в открытом состоянии ключа u_си1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т₂ мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

Изобразим схему цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20).

Здесь использованы взаимодо­полняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т₂ с каналом p-типа. Обозначим через U_{зи.порог1} и U_{зи.порог2} пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т₁ и Т₂. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным.

Пусть u_вх= 0, тогда, очевидно, транзистор T₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт. При этом u_сн1= Е_с, u_ис2= 0. Если u_вх> U_{зи.порогl}, тогда транзистор Т₁ открыт. Пусть, кроме того, u_вх> Е_с — U_{зи.порог2}, тогда транзистор Т₂ закрыт. При этом u_си1= 0, u_ис2= Е_с.

Надо отметить, что если Е_с < U_{зи.порог1} + U_{зи.порог2}, то при изменении входного сигнала не возникает ситуация, когда оба транзистора включены. Но если данное неравенство не выполняется, то такая ситуация будет иметь место при некотором промежуточном напряжении u_вх, и тогда через транзисторы протекает так называемый сквозной ток.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если длительность переднего фронта и длительность среза (заднего фронта) входного импульса мала, то сквозной ток протекает короткое время, но и в этом случае он оказывает негативное влияние на работу схемы.

Как следует из изложенного, в каждом из двух установившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Это первое важное достоинство комплементарного ключа.

Вторым важным достоинством комплементарного ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Третьим важным достоинством комплементарного ключа является его повышенное быстродействие. Оно может быть на порядок больше, чем у двух других ранее изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости С_н, так и ее заряд происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор T₁ и заряжается через транзистор Т₂).

При этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение емкости. Естественно предположить, что входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или u_вх= , или u_вх= Е_с. В этом случае, чем больше напряжение питания Е_с, тем больше отпирающий сигнал на соответствующем транзисторе и тем больше его начальный ток (к примеру, при u_вх= 0, u_из2= Е_с).

Поэтому при увеличении напряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМОП-ключей.

Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе (рис. 3.21).

Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т₁ резистором нагрузки, а источника питания — источником входного сигнала.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, т. е. к точке с наибольшим потенциалом, для того чтобы p-n-переходы между подложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались.

Транзистор этого аналогового ключа работает подобно тому, как работает транзистор Т₂ рассмотренного комплементарного ключа. Например, для отпирания транзистора необходимо, чтобы напряжение u_упр было малым.

Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное входное напряжение.

Двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах

Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах (рис. 3.22).
Ключ предназначен для передачи напряжения u_ас вывода А на вывод В или напряжение u_b с вывода В на вывод А. Предполагается, что эти напряжения находятся в пределах от 0 до +Е_n. Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют рассмотренный выше комплементарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда u_упр= +Е_n. В этом случае по крайней мере один из транзисторов Т₃ и Т₄ открыт. Ключ закрыт, когда u_упр= 0.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если схему изменить и на затворы транзисторов Т3 и Т4 подавать не только положительные, но и отрицательные напряжения, то ключ будет в состоянии работать не только при положительных, но и отрицательных напряжениях uа и ub.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а на комплементарных транзисторах — в состав микросхем серий 590, 591, 176, 561, 1564.

Транзисторный ключ | Volt-info

Зная, как работает транзистор, с его помощью можно создать несколько простых, но весьма практичных электронных устройств. Одним из таких устройств является транзисторный ключ.

Транзисторный ключ представляет собой аналог электромеханического реле с одним контактом. Как положение контактов реле управляется подачей достаточной разности электрических потенциалов на выводы обмотки реле, так проводимость коллекторного перехода биполярного транзистора управляется подачей достаточной разности электрических потенциалов на его эмиттерный переход (рисунок 1).

Рисунок 1. Реле и транзисторный ключ.

К контактам X1 и X2 подключен источник управляющего сигнала, к X3 и X4 – источник питания нагрузок HL1 и HL2.

При нажатии кнопки SB1 от источника сигнала GB1 через замкнутые контакты кнопки подаётся напряжение на обмотку реле KL1. При этом, замыкается контакт реле, через который начинает протекать ток нагрузки HL1. Так коммутируется нагрузка с помощью обычного электромеханического реле.

Аналогично работает схема транзисторного ключа.

• При разомкнутых контактах кнопки SB1 потенциалы на выводах резисторов R1 и R2 практически равны потенциалу эмиттера, на эмиттерном переходе смещение отсутствует, коллекторный переход закрыт, ток через нагрузку не течёт (аналог разомкнутого контакта реле).
• Замыканием контактов кнопки SB1 подаётся напряжение на делитель R2-R1, который выполняет несколько функций. Соотношение резисторов подбирается таким, чтобы при заданном напряжении управляющего сигнала через базу транзистора протекал ток не превышающий максимально допустимого значения. Таким образом, предотвращается выход из строя транзистора и перерасход электрической энергии на управление ключом. При размыкании контакта кнопки SB1, на базе транзистора остаётся напряжение насыщенной базы, которое поддерживается коллекторным током нагрузки. Чтобы закрыть транзистор, необходимо принудительно снизить потенциал базы до такого значения, чтобы транзистор переключился в режим отсечки (для кремниевых транзисторов это напряжение примерно меньше 0,3-0,6 В). Это делает резистор R1, уравнивая потенциал базы с потенциалом эмиттера, как бы подтягивая базу к эмиттеру. (По этой причине, резисторы выполняющие подобные функции часто называют подтягивающими).

Часто в схемах дискретного управления ключи управляются напряжениями логического нуля и единицы, и напряжение логического нуля может быть отличным от нулевого значения. Значения напряжений логических уровней указывается в справочных данных на используемые элементы схем, и их необходимо учитывать при проектировании схем ключей.

Для того, чтобы определить необходимый ток базы для полного насыщения (отпирания) транзистора, можно воспользоваться справочными данными. Зная максимально допустимый ток коллектора можно вычислить необходимый для этого значения ток базы делением на коэффициент усиления по току. В справочных данных коэффициент усиления обычно приводится в виде диапазона значений, например 50…200, нужно брать нижний предел (50) как крайний случай, при котором будут работать транзисторы с любым коэффициентом из указанного диапазона, так как ток базы будет максимальным.

Для того, чтобы транзистор надёжно закрывался в режиме отсечки, необходимо проследить, чтобы при подаче напряжения логического нуля на резистор R2, на базе транзистора напряжение было меньше 0,3 В.

Pnp транзистор в режиме ключа

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 h_21Э). 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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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

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

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

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

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

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

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

С чего все начиналось

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

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

Транзисторный ключ

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

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

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

Условия для работы транзисторного ключа

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

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

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

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

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

Базовая схема транзисторного ключа

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

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

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

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

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

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

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

Второй способ. Добиться того, чтобы U_БЭ

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

Расчет транзисторного ключа

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

Для начала можно найти ток базы:

I_Б – это базовый ток, в Амперах

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

I_K– коллекторный ток, в Амперах

Ну а дальше дело за малым

Это самый простой расчет без всяких заморочек.

Расчет транзисторного ключа на практике

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

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

Транзистор КТ819Б структуры NPN

А вот и его цоколевка

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

Лампочка при питании 6 В светит примерно вот так:

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

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

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

Итак, находим ток базы по формуле

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

P – это мощность в Ваттах

U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

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

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

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

Теперь считаем базовый резистор по формуле:

Берем ближайший из ряда, то есть 1 кОм.

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

Собираем схему и смотрим, как она работает

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

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

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

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

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

Применение транзисторного ключа в связке с МК

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

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

Заключение

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

Электронный ключ схема на транзисторе 12 вольт

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

На чем делаются транзисторные ключи

Статический режим работы

Насыщение ключа

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

Недостатки ненасыщенного ключа

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

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

Быстродействие

Взаимодействие с другими ключами

Что выбрать

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

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

Пример работы

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

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

Расчет транзисторного ключа

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

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

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45

транзисторов – learn.sparkfun.com

Приложения I: Коммутаторы

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

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

Транзисторный переключатель

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

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

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

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

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

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

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

Базовые резисторы!

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

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

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

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

Цифровая логика

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

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

Инвертор

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

Инвертор на транзисторах.

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

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

И Ворота

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

2-входной логический элемент И на транзисторах.

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

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

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

Н-образный мост

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

По сути, H-мост представляет собой комбинацию четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

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

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

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

Вход A	Вход B	Выход A	Выход B	Направление двигателя
0	0	1	1	Остановлено (торможение)				1	0	По часовой стрелке
1	0	0	1	Против часовой стрелки
1	1	0	торможение (торможение) Осцилляторы Генератор – это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы. Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов. Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора поочередно включаются и выключаются. Анализ работы этой схемы – отличное исследование работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого: Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1. Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала – R4. Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2. На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону. Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2. Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1. Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором начали. Может быть трудно с головой окунуться. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь. Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора: Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду. Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров! ← Предыдущая страница Режимы работы Общие сведения о конструкции схем транзисторов »Электроника Проектирование электронной схемы с использованием биполярных транзисторов довольно просто, используя простые принципы проектирования и несколько уравнений. Руководство по проектированию схем транзисторов Включает: Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Общая схема эмиттера Эмиттер-повторитель Общая база См. Также: Типы транзисторных схем Транзисторные схемы лежат в самом центре современных технологий проектирования электронных схем. Хотя в наши дни интегральные схемы используются во многих схемах, базовая конструкция транзисторной схемы часто требуется в самых разных областях. Хотя при использовании дискретных электронных компонентов с транзисторами используется больше компонентов, можно настроить схему для обеспечения именно той функциональности, которая требуется. Соответственно, схемы, использующие дискретные транзисторы и несколько дополнительных электронных компонентов, до сих пор остаются в основе конструкции электронных схем. Это означает, что понимание конструкции транзисторной схемы по-прежнему важно, поскольку оно не только позволяет проектировать базовые транзисторные схемы, но также обеспечивает лучшее понимание работы интегральных схем, основанных на технологии биполярных транзисторов. BC547 Транзистор с пластиковыми выводами Основы биполярных транзисторов Очевидно, что ключевым электронным компонентом в любой транзисторной схеме является сам транзистор. Эти электронные компоненты могут быть получены в дискретной форме или могут находиться в интегральной схеме. Транзисторы производятся в различных форматах, и их можно получить для выполнения различных функций – от слабого сигнала до высокой мощности, от аудио до ВЧ и коммутации. Они также бывают как PNP-транзисторы и NPN-транзисторы – из этих NPN-транзисторов более широко используются, поскольку они, как правило, подходят к широко используемой системе отрицательного заземления, а также их производительность лучше с точки зрения скорости. Хотя транзисторы NPN более широко используются, это не означает, что транзисторы PNP не используются. Они часто находят применение в качестве дополнения к транзисторам NPN и некоторым другим схемам. Базовая структура транзистора и условные обозначения схем Примечание о биполярном транзисторе: Биполярный транзистор представляет собой трехполюсное устройство, которое обеспечивает усиление по току, когда ток коллектора в раз больше тока базы. Биполярный транзистор широко доступен, и его характеристики оптимизируются в течение многих лет. Подробнее о Устройство на биполярных транзисторах и принцип его работы Биполярный транзистор доступен уже более семидесяти лет – его технология очень хорошо отработана, и хотя технология полевых транзисторов, вероятно, более широко используется в интегральных схемах, биполярные транзисторы все еще используются в огромных количествах в различных аналоговых и цифровых схемах, как в интегральных схемах и в виде дискретных электронных компонентов. Биполярный транзистор был впервые изобретен в 1949 году группой ученых, работающих в Bell Labs в США. Его открытие представляет собой интересное чтение. Примечание к истории транзисторов: Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, в которой для управления током в полупроводнике использовался эффект поля, но они не смогли реализовать эту идею.Они обратили свое внимание на другую возможность и создали устройство с тремя выводами, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что она принесла прибыль в конце 1949 года. Подробнее о История биполярных транзисторов Расчетные параметры схемы транзистора Перед тем, как приступить к проектированию электронной схемы для транзисторной схемы, необходимо определить требования к схемам: некоторые из основных параметров, связанных с транзисторными схемами. В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть ряд параметров: Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием для проектирования электронных схем. Коэффициент усиления схемы – это увеличение напряжения от входа к выходу схемы. С математической точки зрения коэффициент усиления по напряжению A v – это выходное напряжение, деленное на входное. Повышение напряжения – одна из ключевых целей многих схем, поскольку она обеспечивает “размер” Коэффициент усиления по току: Коэффициент усиления по току схемы часто важен при проектировании электронных схем, особенно там, где схема управляет нагрузкой с низким сопротивлением.Часто требуется схема без усиления по напряжению, и требуется только усиление по току, чтобы схема с относительно высоким выходным импедансом могла управлять другой схемой с более низким импедансом. Есть много примеров этого: генератору RF часто требуется буферный каскад, чтобы гарантировать, что сам контур генератора не загружен чрезмерно, но выход необходим для управления другими цепями. Текущая прибыль также используется в схемах питания, где ряд проходящего элемента нужд регулятора напряжения, чтобы обеспечить значительные уровни тока, но при использовании опорного тока низкого напряжения.Есть много других примеров того, где требуется усиление тока. Подобно шкале напряжения, коэффициент усиления схемы по току сравнивает уровни входа и выхода, но с точки зрения тока. Коэффициент усиления по току равен выходному току, деленному на входной ток. Входное сопротивление: Входное сопротивление транзисторной схемы всегда важно. Он определяет нагрузку на предыдущем этапе, а также важен в ВЧ схемах, где согласование импеданса является важным параметром. Во многих конструкциях электронных схем желателен высокий входной импеданс, потому что это означает, что предыдущий каскад не нагружен чрезмерно. Если входной импеданс транзисторной схемы слишком низкий, она будет загружать предыдущую, уменьшая уровень сигнала и, возможно, вызывая искажения в некоторых случаях. Настройка транзисторного каскада для обеспечения правильного входного импеданса является ключевым элементом процесса проектирования электронной схемы. Выходное сопротивление: Выходное сопротивление также важно.Если транзисторная схема управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае на выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения и в некоторых случаях может возникнуть искажение сигнала. Если полное сопротивление нагрузки низкое, то обычно требуется схема с высоким коэффициентом усиления по току, и подходящий формат схемы может быть выбран в процессе проектирования электронной схемы. Если допустимо более высокое выходное сопротивление, то часто более подходящей является схема с более высоким коэффициентом усиления по напряжению. Частотная характеристика: Частотная характеристика – еще один важный фактор, который влияет на конструкцию схемы транзистора. Конструкции низкочастотных или аудиотранзисторных схем сильно отличаются от схем, используемых в ВЧ-приложениях. Также выбор электронных компонентов в схеме определяет отклик: транзисторы, а также номиналы конденсаторов и резисторов в конструкции электронной схемы – все влияют на частотную характеристику. На ранней стадии проектирования схемы необходимо иметь определенные требования к необходимой частотной характеристике, а затем схема может быть спроектирована в соответствии с требованиями. Напряжение и ток питания: Одним из ключевых параметров любой цепи является требуемая мощность с точки зрения требуемого напряжения и тока. Таким образом, на этапе проектирования электронных схем можно гарантировать, что правильное напряжение будет обеспечено с требуемой допустимой токовой нагрузкой. Рассеиваемая мощность: Другой параметр, очень связанный с напряжением и током, подаваемым в схему, – это рассеиваемая мощность.Если рассеиваемая мощность высока, то может потребоваться устройство для охлаждения и общего отвода тепла от цепи, и в частности любых электронных компонентов, которые могут рассеивать большое количество тепла. Обычно это транзистор, но другие компоненты тоже могут рассеивать тепло. Функция цепи транзистора Транзисторные схемы могут выполнять множество различных функций. Обычно существуют стандартные блоки для общих функций, таких как усилитель, генератор, фильтр, источник тока, дифференциальный усилитель и множество других. Эти стандартные форматы схем широко используются и могут быть приняты, а значения электронных компонентов определены в процессе проектирования электронных схем. Цепи часто соответствуют проверенным схемам, которые использовались в течение многих лет. Эти схемы часто использовались со старой технологией вакуумных ламп или термоэмиссионных клапанов и одинаково хорошо работают с биполярными транзисторами, а также с полевыми транзисторами, полевыми транзисторами и иногда даже с операционными усилителями. Принимается основной формат и определяются значения для электронных компонентов, обеспечивающие требуемую производительность. Часто для этого требуются небольшие эксперименты, но в наши дни программное обеспечение для моделирования схем может точно воспроизвести работу схемы, так что значения электронных компонентов могут быть оптимизированы для достижения требуемых характеристик и функциональности. Конфигурация или топология транзисторной схемы Какими бы ни были общие функции схемы, необходимо также учитывать топологию в начале процесса проектирования электронной схемы. Цепи транзисторов могут быть спроектированы с использованием различных топологий, каждая из которых имеет разные характеристики, особенно с точки зрения входного и выходного сопротивления. Эти топологии конфигураций выбираются в соответствии с требованиями проектирования электронных схем и включают общий эмиттер, общий коллектор или эмиттерный повторитель и общую базу. Процесс проектирования транзисторных схем Процесс проектирования транзистора состоит из нескольких этапов. Обычно они выполняются в логическом порядке, но часто необходимо пересмотреть различные этапы, чтобы оптимизировать значения различных электронных компонентов для обеспечения требуемой общей производительности. Определите требования: Определение реальных требований является важным этапом, и его правильное выполнение будет означать, что концепция схемы не изменится в будущем. Определите функцию и топологию схемы: После того, как общие требования для всего электронного устройства определены, необходимо выбрать фактическую схему транзистора. Например, существует множество схем генераторов, фильтров, усилителей и т. Д.для транзисторов и оптимальный тип может быть выбран для конкретных требований. Это часто также определяет фактическую топологию схемы, то есть использование общего эмиттера, общего коллектора, общей базы, но в противном случае это может быть частью общего процесса принятия решения в настоящее время, потому что нагрузка на генераторы, усиление, выходное сопротивление и т. можно рассматривать в это время. Установите условия смещения: В любой схеме одной из ключевых особенностей конструкции электронной схемы является обеспечение уровней смещения для активных устройств: в этом случае биполярные транзисторы настроены правильно.Если смещение неправильное, схема транзистора не будет работать. Определение значений электронных компонентов (в основном резисторов), которые задают смещение, является одним из ключевых этапов проектирования. Определите значения функциональных электронных компонентов: Наряду с установкой условий смещения, необходимо определить значения для других электронных компонентов, чтобы обеспечить функциональность схемы. Эта часть процесса проектирования электронной схемы продолжается вместе с установкой условий смещения, поскольку значения для одного будут влиять на другое, и наоборот. Пересмотрите значения электронных компонентов на предмет смещения и функции: После установки значений схемы всегда требуется небольшая итерация, чтобы сбалансировать требования к смещению и общей функциональности схемы. Скорее всего, этот процесс будет повторяться. Тестовая цепь: Тестирование цепи – ключевой элемент любой конструкции. Часто во многих лабораториях есть программное обеспечение для моделирования схем, и поэтому схема может быть смоделирована до того, как она будет построена, чтобы устранить большинство проблем.Однако заключительным испытанием является создание и запуск схемы в условиях, максимально приближенных к рабочим условиям. Доработка и модификация: Часто бывает необходимо изменить электронную схему. Если это необходимо, его переделывают и тестируют с новыми значениями электронных компонентов, компоновкой и т. Д. Они представляют некоторые из основных параметров схемы, требуемых для конструкции транзисторной схемы. Знание этих параметров может повлиять на выбор конфигурации схемы и, безусловно, будет определять параметры компонентов и многие другие факторы. Соответственно, необходимо знать параметры, управляющие работой транзисторной схемы, прежде чем можно будет приступить к проектированию. Другие схемы и схемотехника: Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем Вернуться в меню «Конструкция схемы». . . 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 ограничен 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 переключателя: пример Предположим, у нас есть лампа, которую мы хотим включать и выключать выключателем. Такая схема была бы чрезвычайно простой, как 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 символа стрелки эмиттера, чтобы гарантировать, что смещение перехода транзистора будет правильным, как 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 то, что правильное направление тока поддерживается для правильного смещения перехода (поток электронов идет против стрелки 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. Пожалуй, проще всего 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 и насыщенные транзисторы Если переключатель разомкнут, как показано на рисунке (а), базовый провод транзистора останется «плавающим» (ни к чему не подключен), и ток через него не будет проходить. 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 считается насыщенным . Конечно, использование транзистора в этом качестве для управления лампой может показаться бессмысленным. Вместо транзистора для этой функции будет достаточно обычного переключателя. Зачем использовать транзистор для управления током? Здесь можно отметить два момента.Во-первых, это тот факт, что при использовании таким образом переключающим контактам необходимо обрабатывать только тот небольшой базовый ток, 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, где 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 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 к 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 (регулируемый) 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 через транзистор проходит максимальный ток, говорят, что он находится в состоянии насыщения (полностью проводящий). СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ: Режимы работы и принцип работы Основным устройством в области электротехники и электроники является регулируемый клапан, который позволяет слабым сигналом регулировать больший поток, аналогично форсунке, регулирующей поток воды из насосов, трубок и др. .Когда-то этот регулируемый клапан, который применялся в области электричества, представлял собой вакуумные лампы. Внедрение и использование электронных ламп были хорошими, но сложность с этим была большой, и потреблялась огромная электрическая мощность, которая передавалась в виде тепла, что сокращало срок службы лампы. В качестве компенсации этой проблемы транзистор был устройством, которое обеспечило хорошее решение, удовлетворяющее требованиям всей электротехнической и электронной промышленности. Это устройство было изобретено «Уильямом Шокли» в 1947 году.Чтобы обсудить больше, давайте углубимся в подробную тему о том, что такое транзистор, реализации транзистора в качестве переключателя и многих характеристик. Что такое транзистор? Транзистор – это трехконтактное полупроводниковое устройство, которое может использоваться для коммутации приложений, усиления слабых сигналов, а тысячи и миллионы транзисторов соединены между собой и встроены в крошечную интегральную схему / микросхему, которая создает компьютерную память.Переключатель транзистора, который используется для размыкания или замыкания цепи, что означает, что транзистор обычно используется в качестве переключателя в электронных устройствах только для приложений с низким напряжением из-за его низкого энергопотребления. Транзистор работает как переключатель, когда он находится в областях отсечки и насыщения. Типы биполярных транзисторов По сути, транзистор состоит из двух PN-переходов, эти переходы формируются путем размещения полупроводникового материала N-типа или P-типа между парой полупроводниковых материалов противоположного типа. Транзисторы с биполярным переходом подразделяются на типы Транзистор имеет три вывода: база, эмиттер и коллектор. Эмиттер – это сильно легированный вывод, и он испускает электроны в базовую область. Клемма базы слегка легирована и пропускает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Коллекторный вывод промежуточно легирован и собирает электроны с базы. Транзистор типа NPN представляет собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов N-типа между легированным полупроводниковым слоем P-типа, как показано выше.Точно так же транзисторы типа PNP представляют собой композицию из двух легированных полупроводниковых материалов P-типа между легированным полупроводниковым слоем N-типа, как показано выше. Функционирование транзисторов NPN и PNP одинаково, но они различаются по смещению и полярности источника питания. Транзистор как переключатель Если в схеме используется BJT-транзистор в качестве переключателя, то смещение транзистора, NPN или PNP, настраивается для работы транзистора с обеих сторон кривых ВАХ, показанных ниже.Транзистор может работать в трех режимах: в активной области, в области насыщения и в области отсечки. В активной области транзистор работает как усилитель. Как транзисторный ключ, он работает в двух областях: область насыщения (полностью включен) и область отсечки (полностью выключена). Транзистор как схема переключателя – транзистор как переключатель Транзисторы обоих типов NPN и PNP могут работать как переключатели. В некоторых приложениях силовой транзистор используется в качестве коммутационного инструмента.В этом состоянии может не потребоваться использование другого сигнального транзистора для управления этим транзистором. Рабочие режимы транзисторов Из приведенных выше характеристик видно, что розовая заштрихованная область в нижней части кривых представляет область отсечки, а синяя область слева представляет область насыщения транзистора. эти области транзистора определены как Область отсечки Условиями работы транзистора являются нулевой входной базовый ток (IB = 0), нулевой выходной ток коллектора (Ic = 0) и максимальное напряжение коллектора (VCE), что приводит к в большом слое истощения и отсутствие тока, протекающего через устройство. Таким образом, транзистор переключен в положение «Полностью выключен». Таким образом, мы можем определить область отсечки при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, поскольку переходы NPN-транзисторов имеют обратное смещение, VB <0,7 В и Ic = 0. Точно так же для транзисторов PNP потенциал эмиттера должен быть –ve по отношению к базе транзистора. Cut-Off Mode Затем мы можем определить «область отсечки» или «режим OFF» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя, как если бы оба перехода были смещены в обратном направлении, IC = 0 и VB <0.7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть отрицательным по отношению к клемме базы. Характеристики области отсечки Характеристики области отсечки следующие: Как база, так и входные клеммы заземлены, что означает «0» в Уровень напряжения на переходе база-эмиттер меньше 0,7 В Переход база-эмиттер находится в состоянии обратного смещения Здесь транзистор функционирует как ОТКРЫТЫЙ переключатель Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область отсечки Переход база-коллектор в состоянии обратного смещения На клемме коллектора не будет протекания тока, что означает Ic = 0 Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор и на выходных клеммах равно «1» Область насыщения In В этой области транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока (IB), что приведет к максимальному току коллектора (IC = VCC / RL), а затем к минимальному значению коллектор-эмиттер. падение напряжения (VCE ~ 0).В этом состоянии обедненный слой становится настолько маленьким, насколько возможно и максимальным током, протекающим через транзистор. Поэтому транзистор включен «полностью». Saturation Mode Определение «области насыщения» или «режима включения» при использовании биполярного NPN-транзистора в качестве переключателя как если бы оба перехода были смещены в прямом направлении, IC = максимум, и VB> 0,7v. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть + ve по отношению к базе. Это , работающий транзистора как переключатель . Характеристики области насыщения Характеристики насыщения следующие: И база, и входные клеммы подключены к Vcc = 5 В Уровень напряжения на переходе база-эмиттер более 0,7 В База- эмиттерный переход находится в состоянии прямого смещения Здесь транзистор функционирует как ЗАКРЫТЫЙ переключатель Когда транзистор полностью выключен, он перемещается в область насыщения Переход база-коллектор находится в состоянии прямого смещения Текущий ток на клемме коллектора Ic = (Vcc / RL) Значение напряжения на переходе эмиттер-коллектор, а на выходных клеммах равно «0» Когда напряжение на переходе коллектор-эмиттер равно «0», это означает идеальное условие насыщения Кроме того, работа транзистора как переключателя может быть подробно описана ниже: Транзистор как переключатель – NPN В зависимости от значения приложенного напряжения на краю базы транзистора выполняется переключение.Когда имеется хорошее напряжение, которое составляет ~ 0,7 В между эмиттером и краями базы, то поток напряжения на коллекторе к краю эмиттера равен нулю. Таким образом, транзистор в этом состоянии работает как переключатель, а ток, протекающий через коллектор, считается током транзистора. Таким же образом, когда на входной вывод не подается напряжение, транзистор работает в области отсечки и работает как разомкнутая цепь. В этом методе переключения подключенная нагрузка контактирует с точкой переключения, где она действует как контрольная точка.Таким образом, когда транзистор переходит в состояние «ВКЛ», ток будет протекать от вывода источника к земле через нагрузку. NPN-транзистор в качестве переключателя Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример. Предположим, что транзистор имеет значение сопротивления базы 50 кОм, сопротивление на краю коллектора составляет 0,7 кОм, а приложенное напряжение равно 5 В и принимает значение бета как 150. На краю базы сигнал, который изменяется от 0 до 5 В. применяется. Это соответствует тому, что выход коллектора наблюдается путем изменения значений входного напряжения, которые составляют 0 и 5 В.Рассмотрим следующую диаграмму. Если V CE = 0, тогда I C = V CC / R C IC = 5 / 0,7 Таким образом, ток на клемме коллектора составляет 7,1 мА При значении бета 150 , тогда Ib = Ic / β Ib = 7,1 / 150 = 47,3 мкА Итак, базовый ток составляет 47,3 мкА При указанных выше значениях максимальное значение тока на клемме коллектора составляет 7,1 мА в напряжение между коллектором и эмиттером равно нулю, а значение тока базы равно 47.3 мкА. Таким образом, было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 47,3 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения. Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 0 В. Это означает, что ток базы равен «0», и когда эмиттерный переход заземлен, эмиттер и базовый переход не будут находиться в состоянии прямого смещения. Итак, транзистор находится в выключенном состоянии, а значение напряжения на краю коллектора равно 5В. Vc = Vcc – (IcRc) = 5-0 Vc = 5V Предположим, что транзистор имеет входное напряжение 5V.Здесь значение тока на краю базы можно узнать, используя принцип напряжения Кирхгофа. Ib = (Vi – Vbe) / Rb Когда рассматривается кремниевый транзистор, он имеет Vbe = 0,7 В Итак, Ib = (5-0,7) / 50 Ib = 56,8 мкА Таким образом , было доказано, что когда значение тока на краю базы увеличивается выше 56,8 мкА, то транзистор NPN переходит в область насыщения при условии на входе 5 В. Транзистор как переключатель – PNP Функциональные возможности переключения для транзисторов PNP и NPN аналогичны, но отличие состоит в том, что в транзисторе PNP ток идет от клеммы базы.Эта конфигурация переключения используется для отрицательного заземления. Здесь базовая кромка имеет соединение с отрицательным смещением в соответствии с эмиттерной кромкой. Когда напряжение на клемме базы больше -ve, будет протекать базовый ток. Чтобы было ясно, что, когда существуют клапаны с очень минимальным или отрицательным напряжением, это делает транзистор короткозамкнутым, если не разомкнутым, либо высоким импедансом. В этом типе подключения нагрузка связана с коммутационным выходом вместе с контрольной точкой.Когда транзистор PNP находится во включенном состоянии, ток будет течь от источника к нагрузке, а затем к земле через транзистор. Транзистор PNP в качестве переключателя Как и при переключении транзистора NPN, вход транзистора PNP также находится на краю базы, в то время как вывод эмиттера соединен с фиксированным напряжением, а вывод коллектора соединен с землей через нагрузку. На рисунке ниже поясняется схема. Здесь клемма базы всегда находится в состоянии отрицательного смещения в соответствии с фронтом эмиттера и базой, подключенной к отрицательной стороне, и эмиттером на положительной стороне входного напряжения.Это означает, что напряжение от базы к эмиттеру отрицательное, а напряжение от эмиттера к коллектору положительное. Таким образом, проводимость транзистора будет, когда напряжение эмиттера будет более положительным, чем напряжение на выводах базы и коллектора. Таким образом, напряжение на базе должно быть более отрицательным, чем на других клеммах. Чтобы узнать значения токов коллектора и базы, нам понадобятся следующие выражения. Ic = Ie – Ib Ic = β. Ib Где Ub = Ic / β Чтобы прояснить этот метод переключения, давайте рассмотрим пример. Предположим, что цепи нагрузки требуется 120 мА, а бета-значение транзистора равно 120. Тогда значение тока, необходимое для перехода транзистора в режим насыщения, равно Ib = Ic / β = 120 мА / 100 мА / сек. Ib = 1 мАмп Итак, когда ток базы равен 1 мА, то транзистор полностью находится в состоянии ВКЛ. В то время как в практических сценариях для правильного насыщения транзистора требуется примерно 30-40 процентов большего тока.Это означает, что базовый ток, необходимый для устройства, составляет 1,3 мА / с. Переключение транзистора Дарлингтона В некоторых случаях коэффициент усиления постоянного тока в устройстве BJT очень минимален для прямого переключения напряжения или тока нагрузки. Из-за этого используются переключающие транзисторы. В этом состоянии небольшое транзисторное устройство включено для включения и выключения переключателя и повышенного значения тока для регулирования выходного транзистора. Чтобы увеличить коэффициент усиления сигнала, два транзистора соединены способом «комплементарной конфигурации сложения усиления».В этой конфигурации коэффициент усиления является результатом работы двух транзисторов. Транзистор Дарлингтона Транзисторы Дарлингтона обычно входят в состав двух биполярных транзисторов типа PNP и NPN, где они соединены таким образом, что значение усиления исходного транзистора умножается на значение усиления второго транзисторного устройства. Это дает результат, в котором устройство работает как отдельный транзистор с максимальным усилением по току даже для минимального значения базового тока.Полный коэффициент усиления по току устройства переключения Дарлингтона является произведением значений коэффициента усиления по току как PNP, так и NPN транзисторов, и это представлено как: β = β1 × β2 С учетом вышеупомянутых пунктов транзисторы Дарлингтона, имеющие максимальное β и коллектор текущие значения потенциально связаны с переключением одного транзистора. Например, когда входной транзистор имеет значение усиления по току 100, а второй имеет значение усиления 50, тогда общий коэффициент усиления по току равен β = 100 × 50 = 5000 Итак, когда нагрузка ток составляет 200 мА, тогда значение тока в транзисторе Дарлингтона на клемме базы составляет 200 мА / 5000 = 40 мкА, что является большим уменьшением по сравнению с прошлым 1 мА для одного устройства. Конфигурации Дарлингтона В транзисторе Дарлингтона есть в основном два типа конфигурации, а именно Конфигурация переключателя транзистора Дарлингтона демонстрирует, что выводы коллектора двух устройств соединены с выводом эмиттера исходного транзистора, который имеет соединение с базовым краем второго транзисторного устройства. Таким образом, значение тока на выводе эмиттера первого транзистора будет формироваться, когда входной ток второго транзистора, таким образом, будет находиться в состоянии «Включено». Входной транзистор, который является первым, получает свой входной сигнал на клемме базы. Входной транзистор обычно усиливается, и он используется для управления следующими выходными транзисторами. Второе устройство усиливает сигнал, что приводит к максимальному значению усиления по току. Одной из важнейших особенностей транзистора Дарлингтона является его максимальное усиление по току по сравнению с одним устройством BJT. Помимо возможности максимальных характеристик переключения напряжения и тока, другим дополнительным преимуществом является максимальная скорость переключения.Эта операция переключения позволяет использовать устройство специально для цепей инвертора, двигателя постоянного тока, цепей освещения и регулирования шагового двигателя. Разница, которую следует учитывать при использовании транзисторов Дарлингтона по сравнению с обычными одинарными типами BJT при реализации транзистора в качестве переключателя, заключается в том, что входное напряжение на переходе базы и эмиттера должно быть больше, что составляет почти 1,4 В для кремниевого типа. устройство, так как из-за последовательного соединения двух PN-переходов. Некоторые из общих практических применений транзистора в качестве переключателя В транзисторе, если ток не течет в цепи базы, ток не может течь в цепи коллектора. Это свойство позволит использовать транзистор в качестве переключателя. Транзистор можно включать или выключать, меняя базу. Есть несколько применений схем переключения, работающих на транзисторах. Здесь я рассмотрел транзистор NPN, чтобы объяснить несколько приложений, в которых используется транзисторный переключатель. Световой выключатель Схема разработана с использованием транзистора в качестве переключателя для зажигания лампы при ярком освещении и выключения ее в темноте и светозависимого резистора (LDR) в делителе потенциала. Когда окружающая темнота, сопротивление LDR становится высоким. Затем транзистор выключается. Когда LDR подвергается воздействию яркого света, его сопротивление падает до меньшего значения, что приводит к увеличению напряжения питания и увеличению тока базы транзистора. Теперь транзистор включен, коллекторный ток течет и лампочка загорается. Тепловой выключатель Одним из важных компонентов цепи теплового выключателя является термистор. Термистор – это тип резистора, который реагирует в зависимости от окружающей температуры. Его сопротивление увеличивается при низкой температуре и наоборот. Когда термистор нагревается, его сопротивление падает, а базовый ток увеличивается, после чего увеличивается ток коллектора, и срабатывает сирена. Эта конкретная схема подходит как система пожарной сигнализации. Переключатель с подогревом Управление двигателем постоянного тока (драйвер) в случае высоких напряжений Учтите, что на транзистор не подается напряжение, тогда транзистор отключается и ток через него не течет. Следовательно, реле остается в выключенном состоянии. Питание на двигатель постоянного тока подается от нормально замкнутой (NC) клеммы реле, поэтому двигатель будет вращаться, когда реле находится в состоянии ВЫКЛ. Подача высокого напряжения на базу транзистора BC548 вызывает включение транзистора и включение катушки реле. Практический пример Здесь мы узнаем значение базового тока, необходимого для полного перевода транзистора в состояние ВКЛ, когда нагрузке требуется ток 200 мА, когда входное значение увеличивается до 5 В. Также знайте стоимость руб. Значение базового тока транзистора Ib = Ic / β, учитывая β = 200 Ib = 200 мА / 200 = 1 мА Значение сопротивления базы транзистора Rb = (Vin – Vbe) / Ib Руб = (5-0.7) / 1 × 10 -3 Rb = 4,3 кОм Транзисторные переключатели широко используются в различных приложениях, таких как взаимодействие оборудования с большим током или высоким напряжением, такого как двигатели, реле или освещение, до минимума. значение напряжения, цифровые ИС или используемые в логических элементах, таких как элементы И или ИЛИ. Кроме того, когда выходной сигнал логического элемента составляет + 5 В, тогда как устройству, которое необходимо регулировать, может потребоваться напряжение питания 12 или даже 24 В. Или такой нагрузке, как двигатель постоянного тока, может потребоваться контроль скорости с помощью нескольких непрерывных импульсов. Транзисторные переключатели позволяют выполнять эту операцию быстрее и проще по сравнению с традиционными механическими переключателями. Зачем использовать транзистор вместо переключателя? При использовании транзистора вместо переключателя даже минимальная величина базового тока регулирует более высокий ток нагрузки на выводе коллектора. Используя транзисторы вместо переключателя, эти устройства поддерживаются реле и соленоидами.Тогда как в случае, когда необходимо регулировать более высокие уровни токов или напряжений, используются транзисторы Дарлингтона. В целом, вкратце, некоторые из условий, которые применяются при работе транзистора в качестве переключателя, следующие: При использовании BJT в качестве переключателя, тогда необходимо использовать либо неполное, либо полное состояние ВКЛ. При использовании транзистора в качестве переключателя минимальное значение тока базы регулирует повышенный ток нагрузки коллектора. При использовании транзисторов для переключения в качестве реле и соленоидов лучше использовать диоды маховика. Для регулирования больших значений напряжения или тока лучше всего подходят транзисторы Дарлингтона. И эта статья предоставила исчерпывающую и ясную информацию о транзисторе, рабочих областях, работе как коммутатор, характеристиках и практическом применении. Другая важная и связанная с этим тема, которую необходимо знать, это что такое цифровой логический транзисторный переключатель и его рабочая принципиальная схема? Как работают транзисторы – простое объяснение Принципы работы транзисторов, вероятно, сложнее всего понять новичку.По крайней мере, для меня. Проблема в том, что почти все пытаются объяснить, что транзистор – это «… полупроводниковый прибор». И вместо того, чтобы просто рассказать вам, что он делает, они объясняют, что «… он состоит из материалов с примесью n и p». Не знаю, как вы, но это утверждение мне не сильно помогло! Позвольте мне просто рассказать вам, как работают транзисторы. Я даже сделал для вас видео, чтобы было понятнее. Транзистор похож на электронный переключатель.Он может включать и выключать ток. Вы можете представить себе это простым способом: смотреть на транзистор как на реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо. БЕСПЛАТНЫЙ бонус: Загрузите основные электронные компоненты [PDF] – мини-книгу с примерами, которая научит вас, как работают основные компоненты электроники. Посмотрите видеообъяснение, которое я сделал для транзистора: Существуют разные типы транзисторов.Очень распространенным является «транзистор с биполярным переходом» или «BJT». А обычно это выглядит так: Имеет три контакта: база (b), коллектор (c) и эмиттер (e). И он доступен в двух версиях: NPN и PNP. Схематический символ NPN выглядит так: Как работают транзисторы Транзистор работает из-за чего-то, называемого полупроводниковым материалом. Ток, протекающий от базы к эмиттеру, «открывает» ток от коллектора к эмиттеру. В стандартном транзисторе NPN необходимо приложить напряжение около 0,7 В между базой и эмиттером, чтобы ток протекал от базы к эмиттеру. Поэтому, когда вы подаете 0,7 В от базы к эмиттеру, вы включаете транзистор и позволяете току течь от коллектора к эмиттеру. Давайте посмотрим на пример: В приведенном выше примере вы можете увидеть, как работают транзисторы. Батарея 9В подключается к светодиоду и резистору. Но подключается через транзистор.Это означает, что в этой части схемы не будет протекать ток, пока транзистор не включится. Чтобы включить транзистор, необходимо подать 0,7В от базы к эмиттеру транзистора. Представьте, что у вас есть небольшая батарейка на 0,7 В. (В практической схеме вы должны использовать резисторы, чтобы получить правильное напряжение от любого источника напряжения, который у вас есть) Когда вы подключаете батарею 0,7 В от базы к эмиттеру, транзистор включается. Это позволяет току течь от коллектора к эмиттеру.И тем самым включив светодиод! Подробнее о транзисторе В этой статье я рассказал о транзисторе NPN, который включается, когда на базе есть напряжение. Также существует транзистор под названием PNP, который работает противоположным образом. Ознакомьтесь с моей статьей PNP-транзистор – как это работает? Узнать больше. Транзистор – это еще и то, что заставляет работать усилители. Вместо того, чтобы иметь только два состояния (включено или выключено), он также может быть где угодно между «полностью включен» и «полностью выключен». Небольшой «управляющий ток» может затем контролировать, насколько большая часть большего «основного тока» будет проходить через него.Таким образом, транзистор может усилить сигнал. Если вы хотите узнать больше об использовании транзистора в качестве усилителя, на сайте electronics-lab.com есть несколько хороших руководств по трем базовым настройкам усилителя BJT. Мы используем транзисторы почти во всей электронике, и это, наверное, самый важный компонент в электронике. Вы понимаете, как работают транзисторы? Оставляйте свои комментарии и вопросы ниже! Затем посмотрите электрическую схему LDR и посмотрите, сможете ли вы ее понять. Вернуться от принципов работы транзисторов к электронным компонентам в Интернете Транзистор | Определение и использование Транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы – это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко встроенные почти во все электронное, стали нервными клетками информационного века. Британская викторина Изобретатели и изобретения Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине. Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором.Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком). Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе – так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг. NMOS-транзистор Металлооксидные полупроводники с отрицательным каналом (NMOS) используют положительное вторичное напряжение для переключения мелкого слоя полупроводникового материала типа p под затвором в тип n .Для металлооксидных полупроводников с положительным каналом (PMOS) все эти полярности меняются на противоположные. Транзисторы NMOS дороже, но быстрее, чем транзисторы PMOS. Encyclopædia Britannica, Inc. Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков.Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности. Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт. Безусловно, наиболее распространенное применение транзисторов сегодня – это микросхемы памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также микропроцессоры, в которых миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена.Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас Разработка транзисторов Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х.Браттейн и Уильям Б. Шокли из Bell Laboratories Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например,(например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на единой «микросхеме» из полупроводникового материала. Мотивация и ранние радиолокационные исследования Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысячи ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы минимизировать неизбежные поломки. Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации.Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель – устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, – которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца. Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели. На помощь пришли Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор.Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах.К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric. Схема кодового замка с использованием транзистора Gadgetronicx> Электроника> Принципиальные и электрические схемы> Электронные замки> Схема кодового замка на транзисторе Фрэнк Дональд 2 сентября 2012 г. Электронные замки транзисторы Эта электронная схема – одна из самых простых схем кодового замка, которую можно легко изготовить дома.В этой схеме используется один транзистор на реле и несколько пассивных компонентов. Логика этой схемы также очень проста. Даже эта схема очень проста, она отлично работает и эффективно для простого шкафа или полки. РАБОТА ЦЕПИ КОДОВОГО БЛОКИРОВКИ: Принцип работы этой схемы очень прост: в ней просто используется транзистор в качестве переключателя с реле на его коллекторе в качестве нагрузки. Пять переключателей (от S0 до S4) расположены последовательно с резистором ограничения тока R2, подключенным к нему.Еще пять переключателей (от S5 до S9) подключены через базу транзистора и землю. Таким образом, эта схема использует транзистор в качестве переключателя, и транзистор включается только тогда, когда все переключатели с S0 на S4 были в состоянии ВКЛ, а с S5 на S9. был в состоянии ВЫКЛ. Это была основная логика для этой схемы. Давайте посмотрим, как спроектировать ее в соответствии с нашим желанием. Теперь, переходя к дизайну этой схемы, мы должны переставить переключатели на панели таким образом, чтобы пароль было трудно угадать. Больше новостей Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт