Работа транзистора в главном режиме

Транзистор в режиме ключа

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом меняется сопротивление участка коллектор – эмиттер.

Крутить базу, разумеется, не нужно, может оторваться. А вот подать на нее определённое напряжение относительно эмиттера, разумеется, можно.

Если напряжение не подавать совсем, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пускай даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Выходит, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Стало быть, нет и тока базы.

Транзистор закрыт, коллекторный ток брезгливо мал, именно тот самый начальный ток. Приблизительно аналогичный, как у диода в обратном направлении! В данном варианте поговаривают, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на самом обыкновенном языке значит, закрыт или закрыт.

Противоположное состояние именуется Изобилие. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда.

При подобной степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит мгновенно. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.
Чтобы довести транзистор до подобного состояния, нужно обеспечить очень большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера высокое 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.

Транзистор в режиме ключа

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора
Эти два состояния – изобилие и отсечка, используются тогда, когда транзистор работает в главном режиме наподобие привычного контакта реле. Ключевой смысл этого режима в том, что небольшой ток базы управляет высоким током коллектора, который в пару десятков раза больше тока базы.

Большой ток коллектора выходит за счёт внешнего энергетического источника, но все равно усиление по току, что именуется, налицо. Обычный пример: небольшая микросхема включает большую лампочку!
Чтобы узнать величину такого усиления транзистора в главном режиме применяется «показатель усиления по току в режиме большого сигнала».

В справочниках от отмечается греческой буквой ? «бетта». Фактически для абсолютно всех современных транзисторов во время работы в главном режиме этот показатель совсем не меньше 10…20 Определяется ? как соотношение максимально предпологаемого тока коллектора к минимально потенциальному току базы.

Величина безразмерная, просто «во сколько раз».
Если даже ток базы будет побольше, чем требуется, беды особенной нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения.

Не считая обыкновенных транзисторов для работы в главном режиме применяются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» достигает 1000 и более раз.

Как проссчитать рабочий режим основного каскада
Чтобы не быть совсем голословным, попробуем проссчитать рабочий режим основного каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Транзистор в режиме ключа

Задача такого каскада самая простая: включить и выключить лампочку. Разумеется, нагрузка бывает разнообразной, — обмотка реле, электрический мотор, просто резистор, и мало ли что.

Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть сложнее. Требуется проссчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки используются для подсветки приборной доски в российских авто, благодаря этому найти ее очень просто. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для подобного навыка прекрасно подойдет.

Наиболее интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, только бы соблюдалось требование ? ? в/банке. Благодаря этому лампочка может быть на напряжение эксплуатации 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитывается на работу с подобным напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Однако в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток употребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет ? ровно 10.

Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При подобных данных ток в базе должен быть Iб = Iк / ? = 100 / 10 = 10(мА).
Напряжение на базовом резисторе Rб будет составлять (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 приобретаем в Омах. Из обычного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом.

На этом расчет можно считать завершенным.
Но, кто тщательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ?

О нем просто забыли, или он не так и необходим?»
Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот фактор, когда кнопка разомкнута. А дело все в том, что если база будет «висеть в воздухе», влияние всяческих помех на нее просто гарантировано, тем более, если кабель до кнопки очень длинный.

Чем не антенна? Практически, как у детекторного приемника.
Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки нужно, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны.

Легче всего было бы в нашей «учебной схеме» применять переключающий контакт. Нужно включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда понадобилось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Однако не всегда и не везде можно позволить подобную роскошь, как лишний контакт. Благодаря этому легче поровнять потенциалы базы и эмиттера с помощью резистора Rбэ.

Номинал этого резистора рассчитывать не нужно. В большинстве случаев его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема считается вариацией схемы с общим эмиттером. Здесь можно подчеркнуть две характерности.

Во-первых, это применение в качестве управляющего напряжения 5В. Собственно такое напряжение применяется, когда основной каскад подсоединяется к цифровым микросхемам или, что теперь более возможно, к микроконтроллерам.

Управление полевым транзистором. Сопротивление на затворе.

Второе, сигнал на коллекторе инвертирован в отношении к сигналу на базе.

Если на базе есть напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает фактически до нуля. Ну, не до нуля, разумеется, а до напряжения установленного в справочнике.

При этом лампочка зрительно не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.
Инвертирование входного сигнала происходит не только в главном рабочем режиме транзистора, но также и в режиме усиления.

Но про это будет рассказано в следующей части статьи.

Транзисторные ключи: схема, рабочий принцип и характерности

Микроконтроллерами можно делать управление сильными устройствами – лампами общего назначения, нагревательными элементами трубчатого типа, даже электрическими приводами. Чтобы это сделать применяются транзисторные ключи – приспособления для коммутации цепи.

Это многофункциональные приборы, которые можно задействовать буквально в любой области жизнедеятельности – как в бытовых условиях, так и в автомобильной технике.

Что такое аппаратный ключ?

Транзистор в режиме ключа

Ключ – это, если облегчить, обычный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электроцепь.

У биполярного транзистора есть три вывода:
На биполярных полупроводниках строятся аппаратные ключи – конструкция обычная, не требует наличия приличного количества элементов.

С помощью переключателя выполняется замыкание и отключение питания участка цепи. Происходит это при помощи сигнала управления (который формирует микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Обычными схемами на транзисторных ключах можно делать коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, стрессов 50.

500 В. Все может зависеть от определенного типа транзистора. Ключ может делать коммутацию нагрузки 5-7 кВт с помощью управляющего сигнала, мощность которого небольше сотни милливатт.

Транзистор в режиме ключа

Можно использовать взамен транзисторных ключей обычные электромагнитные реле. У них есть положительное качество – во время работы не происходит нагрев.

Но вот частота циклов включения и выключения ограничена, благодаря этому использовать в преобразователях напряжения или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем рабочий принцип ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым выполняется управление группой контактов. Можно провести аналогию с обыкновенным кнопочным выключателем.

Лишь в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать довольно внушительную нагрузку – все может зависеть от типа электромагнитного реле.

Довольно широкое распространение данные устройства получили в автомобильной технике – при их помощи выполняется включение всех мощных потребителей электрической энергии.

Транзистор в режиме ключа

Это дает возможность поделить все электрическое оборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток употребления у обмотки возбуждения реле мелкий. А силовые контакты имеют напыление из драгоценых или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность возникновения дуги.

Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно использовать взамен реле. При этом становиться лучше функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

В большинстве случаев в электро-магнитных реле есть 5 выводов:

  1. Два контакта, которые предназначены для управления. К ним подсоединяется обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, которые предназначены для коммутации. Один общий контакт, который хорошо замкнут и хорошо разомкнут с другими.

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

Как работает электромагнитное реле

Транзистор в режиме ключа

Рабочий принцип электромагнитного реле самый что ни есть 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.

Приблизительно по аналогичной схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции делает кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из рабочих режимов транзистора – основной. По существу, он исполняет функции выключателя.

Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к такому режиму работы. Полупроводниковые триоды используются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в бытовых условиях, в промышленности.

Все биполярные транзисторы могут иметь подобный тип проводимости:
К первому типу относятся полупроводники, сделанные на основе германия.

Такие элементы стали широко распространены больше пятидесяти лет назад. Немного позднее в качестве активного элемента стали применять кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Рабочий принцип у приборов одинаков, выделяются они всего лишь полярностью питающего напряжения, а еще отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на сегодняшний день выше, они практически полностью вытеснили германиевые.

И подавляющая часть устройств, включая транзисторные ключи, делаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа делает такие же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления течет так:

  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 раза больше, чем базового.
Транзистор в режиме ключа

Характерность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации значительно выше, чем у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду осуществить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у очень простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду.

Из-за этой причины транзисторы применяют в преобразователях напряжения для создания синусоиды.

Рабочий принцип транзистора

Компонент работает точно также, как и в режиме усилителя мощности. По существу, к входу подается маленькой ток управления, который увеличивается в пару сотен раз благодаря тому, что меняется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины электрического тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Благодаря этому, если вам необходимо определить выводы элемента, следует обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, воспользуйтесь справочниками для определения выводов.

Еще есть характерность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, к примеру, как правило находиться в 2-ух состояниях – замкнутом и разомкнутом.

А вот у транзистора сопротивление канала "эмиттер — коллектор" может изменяться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Показатель усиления – это одна из главных параметров транзистора. Конкретно данный критерий показывает, во сколько раз ток, текущий по каналу "эмиттер — коллектор", выше базового.

Допустим, показатель равён 100 (отмечается этот показатель h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе "коллектор — эмиттер" он будет 100 мА.

Стало быть, случилось усиление входящего тока (сигнала).

Транзистор в режиме ключа

Во время работы транзистор нагревается, благодаря этому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – батареях и кулерах. Но нагрев происходит исключительно в случае, когда проход "коллектор — эмиттер" открывается не полностью. В данном варианте высокая мощность рассеивается – ее необходимо куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и отпускать ее в виде тепла.

Нагрев будет очень маленьким только в том случае, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов есть конкретный порог входного значения тока. Как только случится достижение данного значения, показатель усиления перестает играть особую роль. При этом выходной ток не меняется вообще.

Напряжение на контактах "база — эмиттер" может быть выше, чем между коллектором и эмиттером. Состояние это насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит про то, что транзистор работает в 2-ух режимах – либо он полностью открыт, или же закрыт.

Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Транзистор в режиме ключа

Практичных схем применения транзисторов в режиме ключа особенно много. Очень часто их применяют для включения и выключения светоизлучающих диодов с целью создания эффектов. Рабочий принцип транзисторных ключей дает возможность не только делать «игрушки», но и выполнять непростые схемы управления.

Но обязательно в конструкциях нужно применять резисторы что бы ограничить тока (они ставятся между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть все что угодно – измеритель, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

Во время расчета транзисторного ключа необходимо брать во внимание все специфики работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, применяются усилительные каскады на транзисторах. Сложность в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (либо же открыть переход очень мощного силового ключа).

Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.
Используются несложные конструкции, которые состоят из этих элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор что бы ограничить входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод ставится параллельно обмотке реле, он требуется для того, чтобы устранить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который возникает в момент выключения обмотки.

Электронные ключи на полевых транзисторах. …

Управляющий сигнал вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и увеличивается.

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 настроить микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Применение транзисторов в конструкциях

Необходимо изучать все требования к полупроводникам, которые готовитесь применять в конструкции. Если запланировали проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то необходимо смотреть на его мощность. Если она высокая, то применять маленькие транзисторы типа КТ315 не выйдет: у них не получится обеспечить ток, нужный для питания обмотки.

Благодаря этому рекомендуется в силовой технике использовать мощные полевые транзисторы или сборки. Ток при входе у них мелкий, зато показатель усиления большой.

Транзистор в режиме ключа

Не рекомендуется использовать для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно применяйте качественные источники питания, постарайтесь напряжение подбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется очень невысоким, то контакты не притянутся и не случится включение: величина магнитного поля окажется небольшой.

Однако если применить источник с высоким напряжением, обмотка начнет греться, а может и совсем поломаться.
Обязательно применяйте в качестве буферов транзисторы небольшой и средней мощности во время работы с микроконтроллерами, при необходимости включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств практичней использовать MOSFET-элементы.

Схема подсоединения к микроконтроллеру аналогичная, как и у биполярного элемента, однако есть маленькие отличия. Работа транзисторного ключа с применением MOSFET-транзисторов бывает так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может меняться медленно, переводя компонент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Транзистор в режиме ключа

    В виду того, что в открытом состоянии транзистор имеет очень небольшое сопротивление сток-исток, падение напряжения на нём мало. Собственно поэтому имеет большое значение в какое "плечо" включать нагрузку. Допустим, для открытия полевого транзистора N-типа на затвор необходимо подать положительное напряжение относительно истока — если при этом включить нагрузку в цепь истока, то напряжение на истоке будет равно:

Тут Rотк. это сопротивление открытого транзистора. Так как данное сопротивление мало (десятки-сотни миллиом), если притянуть затвор к питанию, разница стрессов между затвором и истоком будет недостаточна для полнейшего открытия транзистора даже при большом токе. Данное ограничение можно обойти применяя разнообразные источники для питания нагрузки и для управления затвором, однако необходимо чётко понимать как это работает.

  • Одна из свойств подсоединения MOSFET транзистора к цифровым схемам — это необходимость подачи достаточного напряжения затвор-исток. В даташитах на транзистор пороговое напряжение затвор-исток (gate-source), при котором он начинает открываться именуется gate threshold voltage (VGS). для полнейшего открытия таким транзисторам нужно подать на затвор довольно высокое напряжение. В большинстве случаев это около 10 вольт, а микроконтроллер очень часто может выдать максимум 5В. Существует несколько способов решения этой проблемы:
    • На биполярных транзисторах соорудить цепочку, подающую питание с высоковольтной цепи на затвор.
    • Применить специализированную микросхему-драйвер, которая сама сформирует необходимый сигнал управления и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Обычные варианты драйверов это, к примеру, IR2117. Нужно только помнить, что есть драйверы как верхнего так и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и коммутирующего транзистора. Для того, чтобы открыть N-канальный транзистор в верхнем плече, ему на затвор необходимо подать напряжение выше напряжения слива, а это, по существу дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча применяется накачка напряжения. Этим и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.
    • Мощный ключ на MOSFET,для управления мощной нагрузкой одной кнопкой

    • Также возможно просто применять транзистор с малым отпирающим напряжением (т.н. logic level транзисторы). К примеру из серии IRL630A или им такие же. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда имеется один минус — их иногда трудно достать. Если традиционные мощные полевики уже не считаются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают абсолютно не всегда.
    • Никогда не оставляйте затвор "болтаться" в воздухе — так как транзистор управляется "полем", на затворе могут наводиться помехи от окружающих электро-магнитных полей, благодаря этому лучше всего всегда притягивать его через серьезное сопротивление либо к питанию, либо к земля, в зависимости от схемы. Сказанное правильно, даже если вы применяете микроконтроллер для управления транзистором — это даст возможность избежать неизвестных состояний, когда управляющее устройство, к примеру, перезагружается.

      Наличие емкости на затворе делает бросок "зарядного" тока при открывании, благодаря этому для его ограничения рекомендуется устанавливать маленькой резистор в цепь затвора. Ограничив ток резистором вы также увеличите время открытия транзистора.

      Для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки, добавляют быстрый защитный диод (TVS-диод), включённый параллельно истоку-сливе. Если есть однонаправленный супрессор применяется обратное включение, хотя допускается также применять двунаправленные TVS-диоды. Также, если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на большой частоте (электромеханические нагреватели, импульсные источники питания и т.п.), то в цепь слива встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.

      Если Вы запланировали применять полевой транзистор в качестве быстрого высокочастотного ключа и\или для коммутации мощной или индуктивной нагрузки, нужно применять т.н. снабберные цепи — часть схемы, замыкающая токи переходных процессов на себя, делая меньше паразитный нагрев транзистора. Снаббер также оберегает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах сток-исток.

      Аппаратный ключ на транзисторе — рабочий принцип и схема. Биполярный транзистор.

      Работа в режиме ключа.

      Полевой транзистор в режиме ключа

      В импульсных устройствах чаще всего можно повстречать транзисторные ключи.

      Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в иных электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ делает собственную функцию, и в зависимости от рабочего режима транзистора, схема ключа в общем может изменяться, впрочем главная важная схема транзисторного ключа — следующая:

      Транзистор в режиме ключа

      Имеется несколько ключевых рабочих режимов транзисторного ключа: обычный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа — это как правило схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по назначениям и режимам эта схема разнится от обычного усилительного каскада.

      В главном использовании транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Закрытое состояние — состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки.

      Закрытое состояние — состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в иное, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.

      Транзистор в режиме ключа

      Статические состояния описываются в согласии со статическими свойствами транзистора. Параметров две: семейство выходных — зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.
      Для режима отсечки отличительно смещение двух p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка — это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превосходит пороговое и имеет полярность обратную рабочей.

      В подобном состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.
      При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов более чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в согласии с нижней кривой из семейства выходных параметров, эту кривую так и именуют «характеристика отсечки».
      Например проведем самый простой расчет для основного режима транзистора, который станет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет долгое время находиться только в одном из 2-ух основных состояний: полностью открыт (изобилие) или полностью закрыт (отсечка).

      Транзистор в режиме ключа

      Пускай нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В как правило составит 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пускай разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет учитывая то, что реле включат 1 раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:

      Где: Iк — постоянный ток коллектора; Uпит — напряжение питания (12 вольт); Uкэнас — напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн — сопротивление нагрузки (400 Ом).
      Приобретаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.

      Для верности возьмём транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдёт BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.

      Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, нужно обеспечить подходящий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где то21э – статический показатель передачи по току.
      Современные мультиметры дают возможность померить этот показатель, и в нашем случае он составил 50.

      Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для верности взять небольшое из документации на данный транзистор.
      Чтобы необходимо определить нужное значение резистора базы.

      Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет выполняться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для оснащения необходимого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получаем:

      R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом
      Подберём в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из обычного ряда резистор 6,8 кОм.

      НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было хорошим, будем использовать дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит нужно уменьшить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:
      R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+Uбэнас/R2)

      R1 = (5-1) / (0,000574+1/6800) = 5547 Ом.
      Пускай будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.

      Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Отопительный прибор транзистору не понадобится.

      О какой нагрузке говорится? Да о любой — релюшки, лампочки, соленоиды, двигатели, одновременно несколько светоизлучающих диодов или сверхмощный силовой светодиод-прожектор. Короче, все что потребляет больше 15мА и/или требует напряжения питания больше 5 вольт.

      Вот взять, к примеру, реле. Пускай это будет BS-115C.

      Ток обмотки порядка 80мА, напряжение обмотки 12 вольт. Максимальное напряжение контактов 250В и 10А.

      Подключение реле к микроконтроллеру это задача которая возникала фактически у каждого. Одна проблема — микроконтроллер не может обеспечить мощность которая необходима для правильной работы катушки.

      Самый большой ток который может пропустить через себя выход контроллера нечасто превосходит 20мА и это еще считается круто — мощный выход. Как правило не больше 10мА.

      Да напряжение у нас здесь не выше 5 вольт, а релюшке требуется целых 12. Бывают, разумеется, реле и на пять вольт, но тока жрут больше раза в 2. В общем, куда реле не целуй — везде жопа. Что сделать?

      Первое что на ум приходит — поставить транзистор. Правильное решение — транзистор можно выбрать на сотни миллиампер, а то и на амперы.

      Если не хватает одного транзистора, то их можно включать каскадами, когда слабый открывает более крепкий.
      Так как у нас принято, что 1 это включено, а 0 выключено (это логично, хотя и противоречит моей давней привычке, пришедшей еще с архитектуры AT89C51), то 1 у нас будет подавать питание, а 0 снимать нагрузку.

      Возьмём биполярный транзистор. Реле требуется 80мА, благодаря этому ищем транзистор с коллекторным током более 80мА.

      В зарубежных даташитах этот показатель именуется I c , в наших I к. Первое что пришло на ум — КТ315 — шедевральный совковый транзистор который применялся фактически везде:) Оранжевенький такой. Стоит не больше одного рубля. Также прокатит КТ3107 с любым буквенным индексом или заграничный BC546 (а еще BC547, BC548, BC549).

      У транзистора, первым делом, нужно определить назначение выводов. Где у него коллектор, где база, а где эмиттер. Сделать это намного лучше по даташиту или справочнику.

      Вот, к примеру, кусок из даташита:
      Если взглянуть на его лицевую сторону, та что с надписями, и держать ножками вниз, то выводы, слева направо: Эмиттер, Колектор, База.

      Берем транзистор и подсоединяем его по такой схеме:

      Транзистор в режиме ключа

      Коллектор к нагрузке, эмиттер, тот что со стрелочкой, на землю. А базу на выход контроллера.
      Транзистор это усилитель тока, другими словами если мы пропустим через цепь База-Эмиттер ток, то через цепь Колектор-Эмиттер сможет пройти ток равный входному, умноженному на показатель усиления h fe .
      h fe для этого транзистора составляет пару сотен. Что то около 300, точно не помню.
      Максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы = 5 вольт (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе здесь можно пренебречь). Сопротивление в базовой цепи равно 10000 Ом.

      Значит ток, Согласно закону Ома, будет равным 5/10000=0.0005А или 0.5мА — абсолютно несущественный ток от которого контроллер даже не вспотеет.

      А на выходе в данный момент времени будет I c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150А. 150мА более чем чем 100мА, но это только значит, что транзистор откроется нараспашку и выдаст максимум что может.

      А это означает наша релюха получит питание сполна.
      Все счастливы, все довольны? А вот нет, есть здесь западло.

      В реле же в качестве исполнительного элемента применяется катушка. А катушка имеет неслабую индуктивность, так что резко оборвать ток в ней нереально. Если это попытаться сделать, то вероятная энергия, накопленная в электромагнитом поле, вылезет в ином месте.

      При нулевом токе обрыва, данным местом будет напряжение — при резком прерывании тока, на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Если ток обрывается механическим контактом, то будет воздушный пробой — искра.

      А если обрывать транзистором, то его просто угробит.
      Нужно что то делать, куда то девать энергию катушки. Не проблема, замкнм ее на себя же, поставив диод.

      При хорошей работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в оборотную сторону и пройдёт через диод.

      Транзистор в режиме ключа

      Правда эти игры с бросками напряжения гадским образом сказываются на стабильности питающей сети устройства, благодаря этому есть смысл возле катушек между плюсом и минусом питания закрутить электролитический конденсатор на сотню иную микрофарад. Он на себя примет большую половину пульсации.

      Красота! Но можно создать только лучше — уменьшить употребление.

      У реле очень большой ток срывания с места, а вот ток удержания якоря меньше раза в три. Кому как, а меня давит жаба кормить катушку более чем она того заслуживает.

      Это ведь и нагрев и затраты на энергию и много еще чего. Берем и помещаем в цепь еще и полярный конденсатор на десяток другой микрофарад с резистором.

      Что теперь выходит:

      Транзистор в режиме ключа

      При открывании транзистора конденсатор С2 еще не заряжен, а это означает в момент его заряда он собой представляет практически короткое замыкание и ток через катушку идет без границ. Непродолжительное время, но этого будет достаточно для срыва якоря реле с места. Потом конденсатор зарядится и превратится в обрыв.

      А реле будет питаться через ограничивающий резистор. Резистор и конденсатор необходимо выбирать так, чтобы реле четко срабатывало.
      После закрытия транзистора конденсатор разряжается через резистор. Из данного следует встречное западло — если тут же попытаться реле включить, когда конденсатор еще не разрядился, то тока на рывок может и не хватить. Так что здесь нужно думать с какой скоростью у нас будет щелкать реле.

      Кондер, разумеется, разрядится за доли секунды, но иногда и этого много.
      Добавим очередной апдейт.
      При размыкании реле энергия магнитного поля спускается через диод, только вот при этом в катушке продолжает течь ток, а это означает она продолжает держать якорь. Возрастает время между снятием сигнала управления и отпаданием контактной группы.

      Западло. Нужно сделать преграда протеканию тока, но такое, чтобы не убило транзистор.

      Воткнем стабилитрон с напряжением открытия ниже предельного напряжения пробоя транзистора.
      Из куска даташита видно, что максимальное напряжение Коллектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 составляет 30 вольт. Закручиваем стабилитрон на 27 вольт — Profit!
      В конце концов, мы обеспечиваем бросок напряжения на катушке, однако он контроллируемый и ниже критичной точки пробоя. Таким образом мы существенно (в несколько раз!) уменьшаем задержку на выключение.

      Транзистор в режиме ключа

      Вот теперь можно довольно потянуться и начать мучительно чесать репу на предмет того как же весь этот хлам расположить на монтажной плате… Необходимо искать компромиссы и оставлять лишь то, что необходимо в этой схеме. Однако это уже инженерное чутье и приходит с опытом.

      Конечно взамен реле можно воткнуть и лампочку и соленоид и даже моторчик, если по току проходит. Реле взято вот например.

      Ну и, естественно, для лампочки не понадобится весь диодно-конденсаторный обвес.
      Пока хватит.

      В следующий раз расскажу про Дарлингтоновские сборки и MOSFET ключи.
      Транзисторные ключи возведенные на биполярных или полевых транзисторах разделяют на сочные и ненасыщенные, а еще на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с руководящим р-n-переходом.

      Все транзисторные ключи как правило будут работать в 2-ух режимах: статическом и динамическом.
      На их основе ТК основывается рабочий принцип триггеров, мультивибраторов, коммутаторов, блокинг-генераторы и многих иных элементов.

      В зависимости от назначения и специфик работы схемы ТК могут разниться один от одного.

      Транзистор в режиме ключа

      ТК предназначается для коммутации цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов, смотри схему выше. Любой ТК исполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, ему отвечает режим отсечки транзистора (VT — закрыт), и закрытое, отличается режимом насыщения или режимом, приближенном к нему. В течение всего процесса переключения ТК работает в активном режиме.

      Рассмотрим работу ключа на основе биполярного транзистора. Если на базе отсутствует напряжение относительно эмиттера, транзистор закрыт, ток через него не течет, на коллекторе все напряжение питания, т.е. высочайший уровень сигнала.

      Транзистор в режиме ключа

      Как исключительно на базу транзистора поступает управляющий электрический сигнал, он открывается, начинает течь ток коллектор-эмиттер и происходит падение напряжения на внутреннем сопротивлении коллектора, после, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе схемы, уменьшаются до невысокого уровня.

      Транзистор в режиме ключа

      Для практики соберем обычную схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе. Применяем для этого биполярный транзистор КТ817, резистор в коллекторной цепи питания номиналом 1 кОм, а по входу сопротивлением 270 Ом.

      Транзистор в режиме ключа

      В открытом состоянии транзистора на выходе схемы имеем полное напряжение источника питания. При поступлении сигнала на управляющий вход напряжение на коллекторе исчерпывается к минимуму, где нибудь 0,6 вольт.

      Более того, ТК можно осуществить и на полевых транзисторах. Рабочий принцип практически подобен, но ни потребляют намного меньший ток управления, а также предоставляют гальваническую развязку входных и выходных частей, но значительно проигруют в быстродействие если сравнивать с биполярными.

      Транзисторные ключи применяются буквально в каждом спектре радиоэлектронных устройств аналоговых и цифровых коммутаторах сигналов, системах автоматики и контроля, в сегодняшней домашней технике и т.п
      Для коммутации нагрузок в цепях электрического тока рекомендуется использовать мощные полевые транзисторы.

      Этот класс полупроводников представлен 2-мя группами. К первой относят гибриды: биполярные транзисторы с изолированным затвором — БТИЗ или . Во вторую, входят традиционные полевые (канальные) транзисторы.

      Рассмотрим в качестве практического примера работу коммутатора нагрузки для сети переменного напряжения 220 вольт на мощном полевом VT типа КП707

      Транзистор в режиме ключа

      Данная конструкция дает возможность гальванически развязать цепи управления и цепь 220 вольт. В качестве развязки применены оптроны TLP521.

      Кода напряжение на входных клеммах отсутствует, светоизлучающий диод оптрона не горит, встроенный транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных полевых коммутирующих транзисторов. Благодаря этому, на их затворах есть открывающее напряжение, равное уровню напряжения стабилизации стабилитрона VD1.

      В данном варианте полевики открыты и работают попеременно, в зависимости от полярности периода переменного напряжения в нынешний момент времени. Допусти, на выводе 4 , а на 3 — минус.

      Тогда ток нагрузки идет от клеммы 3 к 5, через нагрузку и к 6, после через внутренний защитный диод VT2, через открытый VT1 к клемме 4. При смене периода, ток нагрузки идет уже через диод транзистора VT1 и открытый VT2. Детали схемы R3, R3, C1 и VD1 это безтрансформаторный источник питания.

      Номинал резистора R1 отвечает входному уровню напряжению пять вольт и может быть изменен если понадобится. При поступление управляющего сигнала светоизлучающий диод в оптроне воспламеняется и шунтирует затворы двоих транзисторов.

      На нагрузку напряжение не поступает.