- Як працює транзисторний ключ
- Вхідна статична характеристика
- Розрахунок транзисторного ключа
- порядок розрахунку
Наша сеть партнеров Banwar
З розвитком електронної імпульсної техніки транзисторний ключ в тому чи іншому вигляді застосовуються практично в будь-якому електронному пристрої. Більш того, переважно кількість мікросхем складаються з десятків, сотень і мільйонів транзисторних ключів. А в цифровій техніці взагалі не обходяться без них. В загально сучасний світ електроніки не мислимо без розглянутого в даній статті пристрої.
Тут ми навчимося виконувати розрахунок транзисторного ключа на біполярному транзисторі (БТ). Одне з поширених їх застосувань - узгодження мікроконтролера з відносно потужною навантаженням: потужними світлодіодами , семисегментними індикаторами , Кроковими двигунами і т.п.
Основне завдання будь-якого транзисторного ключа складається в комутації потужної навантаження по команді малопотужного сигналу.
Електронні ключі глибоко проникли і вкоренилися в області автоматики, витіснивши механічні електромагнітні реле. На відміну від електромагнітного реле транзисторний ключ позбавлений рухомих механічних елементів, що значно збільшує ресурс, швидкодія і надійність пристрою. Швидкість включення і відключення, тобто частота роботи незрівнянно вище з реле.
Однак і електромагнітні реле мають корисними властивостями. Падіння напруги на замкнутих контактах реле значно менше, ніж на напівпровідникових елементах, що знаходяться у відкритому стані. Крім того реле має гальванічну розв'язку високовольтних ланцюгів з низьковольтними.
Як працює транзисторний ключ
У даній статті ми розглянемо, як працює транзисторний ключ на біполярному транзисторі. Такі напівпровідникові елементи виробляються двох типів - npn і pnp структури, які розрізняються типом застосовуваного напівпровідника (в p-напівпровіднику переважають позитивні заряди - «дірки»; в n-напівпровіднику - негативні заряди - електрони).
Висновки БТ називаються база, колектор і емітер, які має графічне позначення на кресленнях електричних схем, як показано на малюнку.
З метою розуміння принципу роботи і окремих процесів, що протікають в біполярних транзисторах, їх зображують у вигляді двох послідовно і зустрічно з'єднаних діодів.
Найбільш поширена схема БТ, що працює в ключовому режимі, наведена нижче.
Щоб відкрити транзисторний ключ потрібно підвести потенціали певного знака до обох pn-переходах. Перехід колектор-база має бути зміщений у зворотному напрямку, а перехід база-емітер - в прямому. Для цього електроди джерела живлення UКЕ під'єднують до висновків бази і колектора через навантажувальний резистор RК. Зверніть увагу, позитивний потенціал UКЕ допомогою RК подається на колектор, а негативний потенціал - на емітер. Для напівпровідника pnp структури полярність підключення джерела живлення UКЕ змінюється на протилежну.
Резистор в ланцюзі колектора RК служить навантаженням, яка одночасно захищає біполярний транзистор від короткого замикання.
Команда на відкриття БТ подається керуючою напругою UБЕ, яке подається на висновки бази і емітера через струмообмежуючі резистор RБ. Величина UБЕ повинна бути не менше 0,6 В, інакше емітерний перехід повністю не відкриється, що викличе додаткові втрати енергії в напівпровідниковому елементі.
Щоб не сплутати полярність підключення напруги живлення UКЕ і керуючого сигналу UБЕ БТ різної напівпровідникової структури, зверніть увагу на напрямок емітерний стрілки. Стрілка звернена в сторону протікання електричного струму. Орієнтуючись на напрямок стрілки досить просто розташувати правильним чином джерела напруги.
Вхідна статична характеристика
Біполярний транзистор може працювати в двох принципово різних режимах - в режимі підсилювача і в режимі ключа. Робота БТ в усилительном режимі вже докладно розглянута з прикладами розрахунків в декількох статтях. Дуже рекомендую ознайомитися з ними. Ключовий режим роботи БТ розглядається в даній статті.
Як і електричний ключ, транзисторний ключ може (і повинен) знаходиться тільки в одному з двох станів - включеному (відкритому) і вимкненому (закритому), що відображено на ділянках навантажувальної прямої, розташованої на вхідний статичної характеристиці біполярного транзистора. На ділянці 3-4 БТ закритий, а на його висновках потенціали UКЕ. Колекторний струм IК близький до нуля. При цьому струм в ланцюзі бази IК також відсутня, власне з цієї причини БТ і закритий. Область на вхідний статичній характеристиці, що відповідає закритому стану називається областю відсічення.
Другий стан - БТ повністю відкритий, що показано на ділянці 1-2. Як видно з характеристики, ток IК має якесь значення, яке залежить від величин UКЕ і RК. У ланцюзі база-емітер також протікає струм IБ, величина якого достатня для повного відкриття біполярного транзистора.
Падіння напруги на pn-переході колектор-емітер в залежності від серії транзистора і його потужності знаходиться в межах від сотих до десятих вольта. Така робоча область БТ, в якій він повністю відкритий, називається областю насичення.
У третій області напівпровідниковий ключ займає середнє положення між відкрито-закрито, тобто він відкритий або причинив. Така область, використовується для транзистора, що працює підсилювачем, називається активною областю.
Розрахунок транзисторного ключа
Розрахунок транзисторного ключа на біполярному транзисторі виконаємо на прикладі підключення світлодіода до джерела живлення 9 В, тобто до крони. В якості керуючого сигналу підійде звичайна батарейка 1,5 В. Для прикладу, візьмемо БТ npn структури серії 2222A. Хоча підійде будь-який інший, наприклад 2N2222, PN2222, BC547 або радянський МП111Б і т.п.
Розглянуту схему транзисторного ключа досить просто зібрати на макетної платі і зробити відповідні вимірювання за допомогою мультиметра, тим самим оцінити точність наших розрахунків.
Далі всі розрахунки зводяться до визначення опорів резистора колектора RК і бази RБ. Хоча логічніше, особливо при підключенні потужної навантаження, спочатку підібрати транзистор по струму і напрузі, а потім розраховувати параметри резисторів. Однак в нашому і більшості інших випадків струм навантаження відносно не більшій і U джерела живлення невисока, тому підходить практично будь-який малопотужний БТ.
Всі вихідні дані зведені в таблицю.
порядок розрахунку
Розрахунок почнемо з визначення опору резистора RК, який призначений для обмеження величини струму IК, що протікає через світлодіод VD. RК знаходиться за законом Ома:
Величина IК дорівнює IVD = 0,01 А. Знайдемо падіння напруги на резисторі:
Значення UКЕ нам відомо, воно дорівнює 9 В, ΔUVD також відомо і дорівнює 2 В. А падіння напруги на переході колектор-емітер для більшості сучасних малопотужних БТ становить до 0,1 В. Тому приймемо з запасом ΔUКЕ = 0,1 В. Тепер підставимо всі значення в вище представлену формулу:
Знаходимо опір RК:
Найближчий стандартний номінал резистора 680 Ом і 750 Ом. Вибираємо резистор більшого номіналу R К = 750 Ом. При цьому струм, що протікає через світлодіод IVD в ланцюзі колектора, дещо знизиться. Перерахуємо його величину:
Тепер залишилося визначити опір резистора в ланцюзі бази RБ:
Формула містить відразу дві невідомі - ΔURб і IБ. Знайдемо спочатку падіння напруги на резисторі ΔURб:
UБЕ нам відомо - 1,5 В. А падіння напруги на переході база-емітер в середньому приймають 0,6 В, звідси:
Для визначення струму бази Іб необхідно знати I К, який ми раніше перерахували (ІК = 0,0092 А), і коефіцієнт посилення біполярного транзистора по току, обозначаеми буквою β (бета). Коефіцієнт β завжди наводиться в довідниках або даташітах, але набагато зручніше і точніше визначити його за допомогою мультиметра. Використовуваний нами 2222A має β = 231 одиницю.
з таблиці стандартних номіналів резисторів вибираємо найближчий менший номінал (для гарантованого відкриття БТ) 22 кОм.
Для більш точного вибору параметрів замість постійних резисторів в ланцюзі включають змінні резистори, включені за схемою, наведеною ниж е.
Таким чином, ми виконали розрахунок транзисторного ключа, тобто визначили RК і RБ по заданими вихідними даними. Більш повний розрахунок включає визначення потужності розсіювання зазначених резисторів , Але зважаючи на незначну навантаження в нашому прикладі, підійдуть резистори з мінімальною потужність розсіювання.
