Транзисторный ключ схема 5 вольт: Транзисторный выключатель питания. Логические схемы на переключателях тока Переключение двух ламп 12в на транзисторах схема

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

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

На чем делаются транзисторные ключи

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

Статический режим работы

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

Насыщение ключа

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

Недостатки ненасыщенного ключа

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

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

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

Быстродействие

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

Что выбрать

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

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

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

Пример работы

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

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

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

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

Вот видео работы этой схемы:

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

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

Моя измененная схема на ТТР выглядит вот так:

А вот так она работает:

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

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

Шаг 10: Светодиоды

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

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

Светодиоды используются для освещения или для индикации.

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

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

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

Рассчитаем значение LED резистора по следующей формуле:

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

В нашем примере:

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

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

Шаг 11: Транзистор

Транзисторы можно рассматривать, как один из видов электронного переключателя.

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

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

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

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

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

Режимы функционирования

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

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

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

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

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

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

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

Транзисторный выключатель (ТВ)

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

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

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

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

Базовые резисторы

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

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

Имя
тип
Vce
Ic
Вт
ft
2N2222NPN40V800mA625mW300MHz
BC548NPN30V100mA500mW300MHz
2N3904NPN40V200mA625mW270MHz
2N3906PNP-40V-200mA625mW250MHz
BC557PNP-45V-100mA500mW150MHz
TIP120 (power)NPN60V5A65W

МОП — транзистор

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

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

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

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

Шаг 12: Стабилизаторы напряжения

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

  • Линейный;
  • Переменного напряжения.

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

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

Существует два типа линейного стабилизатора:

Фиксированные

«Фиксированные» линейные стабилизаторы с тремя терминалами стабилизируют постоянные напряжения 3 В, 5 В, 6 В, 9 В, 12 В или 15 В, когда нагрузка составляет меньше чем 1.5 А. Ряд «78xx» (7805, 7812, и т.д.) регулирует положительные напряжения, в то время как «79xx» (7905, 7912, и т.д.) регулируют отрицательные напряжения. Часто, последние две цифры — выходное напряжение (например, 7805 — +5вольтовый стабилизатор, в то время как 7915 — −15 В стабилизатор).

Переменные

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

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

Применение линейных стабилизаторов

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

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

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

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

Повышающий стабилизатор

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

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

Шаг 13: Интегральные схемы

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

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

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

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

Нумерация контактов (цоколёвка)

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

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

Спасибо за внимание!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ключ на полевом транзисторе своими руками

Пожалуй, даже далёкий от электроники человек слышал, что существует такой элемент, как реле. Простейшее электромагнитное реле содержит в себе электромагнит, при подаче на который напряжения происходит замыкание двух других контактов. С помощью реле мы может коммутировать довольно мощную нагрузку, подавая или наоборот, снимая напряжение с управляющих контактов. Наибольшее распространение получили реле, управляющиеся от 12-ти вольт. Также встречаются реле на напряжение 3, 5, 24 вольта.

Однако коммутировать мощную нагрузку можно не только с помощью реле. В последнее время широкое распространение получили мощные полевые транзисторы. Одно из их главных предназначений – работа в ключевом режиме, т.е. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток – Исток практически равно нулю. Открыть полевой транзистор можно подав напряжение на затвор относительно его истока. Сравнить работу ключа на полевом транзисторе можно с работой реле – подали напряжение на затвор, транзистор открылся, цепь замкнулась. Сняли напряжение с затвора – цепь разомкнулась, нагрузка обесточена.
При этом ключ на полевом транзисторе имеет перед реле некоторые преимущества, такие, как:

  • Большая долговечность. Довольно часто реле выходят из строя из-за наличия механически подвижных частей, транзистор же при правильных условиях эксплуатации имеет гораздо больший срок службы.
  • Экономичность. Обмотка реле потребляет ток, причём иногда весьма значительный. Затвор транзистора же потребляет ток только в момент подачи на него напряжения, затем он практически не потребляет тока.
  • Отсутствие щелчков при переключении.

Схема

Схема ключа на полевого транзистора представлена ниже:

Резистор R1 в ней является токоограничивающим, он нужен для того, чтобы уменьшить ток, потребляемый затвором в момент открытия, без него транзистор может выйти из строя. Номинал этого резистора можно спокойно изменять в широких пределах, от 10 до 100 Ом, это не скажется на работе схемы.
Резистор R2 подтягивает затвор к истоку, тем самым уравнивая их потенциалы тогда, когда на затвор не подаётся напряжение. Без него затвор останется «висеть в воздухе» и транзистор не сможет гарантированно закрыться. Номинал этого резистора также можно менять в широких пределах – от 1 до 10 кОм.
Транзистор Т1 – полевой N-канальный транзистор. Его нужно выбирать исходя из мощности, потребляемой нагрузкой и величины управляющего напряжения. Если оно меньше 7-ти вольт, следует взять так называемый «логический» полевой транзистор, который надёжно открывает от напряжения 3.3 – 5 вольт. Их можно найти на материнских платах компьютеров. Если управляющее напряжение лежит в пределах 7-15 вольт, можно взять «обычный» полевой транзистор, например, IRF630, IRF730, IRF540 или любые другие аналогичные. При этом следует обратить внимание на такую характеристику, как сопротивление открытого канала. Транзисторы не идеальны, и даже в открытом состоянии сопротивление перехода Сток – Исток не равно нулю. Чаще всего оно составляет сотые доли Ома, что совершенно не критично при коммутации нагрузки небольшой мощности, но весьма существенно при больших токах. Поэтому, чтобы снизить падение напряжения на транзисторе и, соответственно, уменьшить его нагрев, нужно выбирать транзистор с наименьшим сопротивлением открытого канала.
«N» на схеме – какая-либо нагрузка.
Недостатком ключа на транзисторе является то, что он может работать только в цепях постоянного тока, ведь ток идёт только от Стока к Истоку.

Изготовление ключа на полевом транзисторе

Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:
1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:

Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:

В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Падение напряжение на транзисторе при этом составило 0,07 вольта, что в данном случае совсем не критично. Нагрева транзистора на наблюдается даже при постоянной работе схемы. Успешной сборки!

Скачать плату и схему:
plata.zip
[4,93 Kb] (cкачиваний: 1242)

Все своими руками Транзисторный ключ с ограничением тока

Опубликовал admin | Дата 3 июня, 2020

Мощный ключ на полевом транзисторе с защитой по току

В статье рассматривается схема электронного коммутирующего устройства на полевом транзисторе в положительной шине питания с опцией отсечки цепи по превышения значения тока нагрузки. Схема устройства показана на рисунке 1.

В качестве коммутирующего транзистора VT3 в схеме применен IRF4905 с Р каналом. Максимальное напряжение сток – исток этого транзистора – VDSS = -55V, максимальный ток стока — ID = -74A. Сопротивление открытого канала — RDS (on) = 0.02Ω, при напряжении на затворе — VGS = -10V. Поэтому коммутируемое напряжение не должно быть менее 10 вольт. Максимальное напряжение затвор – исток этого транзистора — Gate-to-Source Voltage ± 20 V. Отсюда следует, что максимальное напряжение коммутации не должно быть выше двадцати вольт. Для увеличения величины коммутируемого напряжения необходимо параллельно резистору R6 подключить стабилитрон 12 вольт, катодом к затвору VT3. Если необходимо коммутировать напряжение от 5 вольт, то необходимо транзистор IRF4905 заменить транзистором с меньшим напряжением отсечки. Например — SUD50P06-15L. Он имеет сопротивление открытого канала две сотых Ома при напряжение между затвором и истоком 4,5 вольта при токе коммутации – 14А. На таблице ниже подчеркнуто красным цветом.

Работа схемы

При подаче напряжения на вход схемы на ее выходе напряжение будет отсутствовать, так как при отсутствии сигнала управления на базе транзистора VT4, будет отсутствовать открывающее отрицательное напряжение на затворе коммутирующего транзистора VT3 – транзистор будет закрыт. При появлении сигнала включения устройства (обычно сигналы управления по величине выбираются сопоставимые с сигналами ТТЛ логики, т.е. равными +5В) открывается транзистор VT4. При этом через его переход коллектор – эмиттер и через ограничительный резистор R7 на затвор ключевого, полевого транзистора VT3 поступит открывающее отрицательное напряжение с шины –U вх. Транзистор VT3 откроется и на выходе устройства появится напряжение питания нагрузки. Резистор R6 позволяет ускорить закрывание транзистора при снятии напряжения управления.

Схема имеет защиту по превышению тока нагрузки, датчиком тока является низкоомный резистор R3. От величины этого резистора зависит величина тока отсечки схемы. Формула определения тока защиты выглядит следующим образом: I защ. = 0,7/R3; При величине датчика тока равной 0,1 Ом, ток срабатывания защиты будет находиться в районе семи ампер. Схема включения транзисторов VT1 и VT2 является не чем иным, как аналогом тиристора. То есть защита является триггерной. После подачи на схему напряжения питания транзисторы VT1 и VT2 будут находиться в закрытом состоянии. При прохождении тока нагрузки через датчик тока R3, на нем образуется падение напряжения, которое через резистор R5 подается на базу транзистора VT1. При увеличении тока до определенной величины, напряжение на переходе база – эмиттер транзистора VT1 так же будет увеличиваться. Транзистор VT1 начнет открываться, через открывающийся транзистор и резистор R1 начнет поступать открывающее напряжение на базу транзистора VT2. Через открывающийся транзистор VT2 и резистор R4 на базу транзистора VT1 начнет поступать дополнительное отрицательное открывающее напряжение, что приведет к еще большему его открыванию. Возникает лавинообразный процесс, оба транзистора мгновенно откроются. Такое состояние схемы является устойчивым, и выйти из его она может только после снятия напряжения питания. В таком режиме открытый транзистор VT1 через разделительный диод VD1 шунтирует переход затвор – исток полевого транзистора VT3. Транзистор мгновенно закрывается и обесточивает нагрузку. Подразумевается, что ранее присутствовал сигнал включения, и транзистор VT3 был открыт.

Конденсатор С1 сглаживает всплески напряжения на базе VT1, так же от величины его емкости зависит время реакции схемы защиты на изменения тока. Это обстоятельство может быть актуально, если нагрузка ключа будет иметь емкостной характер. Время реакции защиты должно быть выбрано чуть больше времени действия тока заряда емкости нагрузки.

Всем удачи. К.В.Ю.

Скачать статью.

Скачать “Транзисторный_ключ_ограничением_тока” Транзисторный_ключ_ограничением_тока.rar – Загружено 294 раза – 97 КБ

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:1 063

Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе (БТ). Одно из распространённых их применений – согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными индикаторами, шаговыми двигателями и т.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Входная статическая характеристика

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы UКЭ. Коллекторный ток IК близок к нулю. При этом ток в цепи базы IК также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток IКимеет некое значение, которое зависит от величин UКЭ и RК. В цепи база-эмиттер также протекает ток IБ, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора RК и базы RБ. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Порядок расчета

Расчет начнем с определения сопротивления резистора RК, который предназначен для ограничения величины тока IК, протекающего через светодиод VD. RК находится по закону Ома:

Величина IК равна IVD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение UКЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔUVD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔUКЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление RК:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала RК = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод IVD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы RБ:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔURб и IБ. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔURб:

UБЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы IБ необходимо знать IК, который мы ранее пересчитали (IК = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниже.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили RК и RБ по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

Еще статьи по данной теме

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

Схема транзисторного ключа на 12 вольт

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 h21Э). 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.

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 h21Э). 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.

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 RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ 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 UБЭ

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:

IБ – это базовый ток, в Амперах

kНАС– 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.

IK– 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 Ik . 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=UКЭ х IН

P – это мощность в Ваттах

UКЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

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

Из формулы: чем меньше UКЭ , 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, RБ 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 RБЭ, 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 RБЭ 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.

схема, принцип работы и особенности :: SYL.ru

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:

  1. Коллектор.
  2. Эмиттер.
  3. База.

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

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 h21Э). 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.

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное

Любимый

77

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 имеет высокий уровень, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

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

Базовые резисторы!

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

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем 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 ограничивать ток, но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током. Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

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

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

Инвертор

Вот схема транзистора, реализующая 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) ~ 0.05-0,2В). 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 какой-либо транзистор 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:

Логический элемент 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 в действие двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки.Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед, так и 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)
0 1

1 0 По часовой стрелке
1 0 0 1 Против часовой стрелки
1 1 0 0 торможение

Осцилляторы

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

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

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

Работа транзистора в качестве переключателя

В этом руководстве по транзистору мы узнаем о работе транзистора в качестве переключателя.Переключение и усиление — это две области применения транзисторов и транзисторов, поскольку коммутатор является основой для многих цифровых схем. Мы изучим различные режимы работы (активный, насыщенный и отключенный) транзистора, то, как транзистор работает как переключатель (как NPN, так и PNP), а также некоторые практические прикладные схемы, использующие транзистор в качестве переключателя.

Введение

Транзисторы — это трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами, которое часто используется в операциях усиления и переключения сигналов.Как одно из важных электронных устройств, транзистор нашел применение в огромном количестве приложений, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления.

Вы можете найти транзисторы как в цифровой, так и в аналоговой областях, поскольку они широко используются для различных приложений, таких как схемы переключения, схемы усилителя, схемы питания, цифровые логические схемы, регуляторы напряжения, схемы генераторов и т. Д.

В этой статье основное внимание уделяется переключающему действию транзистора и дается краткое объяснение транзистора как переключателя.

Краткое описание BJT

Существует два основных семейства транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Биполярный транзистор или просто БЮТ представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами и двумя переходами. Он состоит из двух PN-переходов, соединенных спина к спине с общим средним слоем.

Когда мы говорим термин «транзистор», он часто относится к BJT. Это устройство, управляемое током, в котором выходной ток регулируется входным током.Название биполярное указывает на то, что два типа носителей заряда, то есть электроны и дырки, проводят ток в BJT, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области: базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер является сильно легированным выводом и испускает электроны в базу. Вывод базы слегка легирован и передает электроны, инжектированные эмиттером, на коллектор. Вывод коллектора умеренно легирован и собирает электроны с базы.Этот коллектор больше по сравнению с двумя другими областями, поэтому он может рассеивать больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP. Оба они работают одинаково, но различаются по смещению и полярности источника питания. В транзисторе PNP материал N-типа зажат между двумя материалами P-типа, тогда как в случае транзистора NPN материал P-типа зажат между двумя материалами N-типа.

Эти два транзистора могут иметь разные типы, такие как общий эмиттер, общий коллектор и общая базовая конфигурация.

Если вы хотите работать с MOSFET в качестве коммутатора, сначала изучите основы MOSFET.

Режимы работы транзисторов

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

Активный режим

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

Режим отсечки

В этом режиме коллекторный базовый переход и эмиттерный базовый переход смещены в обратном направлении. Поскольку оба PN-перехода имеют обратное смещение, ток почти не протекает, за исключением небольших токов утечки (обычно порядка нескольких наноампер или пикоампер). BJT в этом режиме выключен и, по сути, представляет собой разомкнутую цепь.

Область отсечки в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

Режим насыщения

В этом режиме работы переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении. Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру с почти нулевым сопротивлением. В этом режиме транзистор полностью включен и представляет собой замкнутую цепь.

Область насыщения также в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

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

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

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

Транзистор как переключатель

Транзистор может использоваться для переключения для размыкания или замыкания цепи. Твердотельное переключение этого типа обеспечивает значительную надежность и меньшую стоимость по сравнению с обычными реле.

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

Транзистор NPN как переключатель

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

Точно так же, когда на входе нет напряжения или нулевого напряжения, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом типе коммутационного соединения нагрузка (здесь светодиод используется в качестве нагрузки) подключается к коммутационному выходу с контрольной точкой. Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим пример ниже, где сопротивление базы R B = 50 кОм, сопротивление коллектора R C = 0,7 кОм, V CC равно 5 В, а значение бета равно 125. В основании подается входной сигнал в диапазоне от 0 В до 5 В. Мы собираемся увидеть выход на коллекторе, изменяя напряжение V I в двух состояниях: 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I C = V CC / R C , когда V CE = 0

I C = 5 В / 0.7 кОм

I C = 7,1 мА

Базовый ток I B = I C / β

I B = 7,1 мА / 125

I B = 56,8 мкА

Из выше расчетов, максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда V CE равен нулю. И соответствующий ток базы для этого тока коллектора составляет 56,8 мкА.

Итак, понятно, что при увеличении тока базы выше 56.8 мкА, тогда транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на входе подается нулевое напряжение. Это приводит к тому, что базовый ток равен нулю, и, поскольку эмиттер заземлен, базовый переход эмиттера не смещен в прямом направлении. Следовательно, транзистор находится в выключенном состоянии, а выходное напряжение коллектора равно 5 В.

Когда V I = 0 В, I B = 0 и I C = 0,

V C = V CC — (I C * R C )

= 5V — 0

= 5V

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

Когда V I = 5 В,

I B = (V I — V BE ) / R B

Для кремниевого транзистора, V BE = 0,7 В

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

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, поскольку базовый ток превышает 56,8 мкА, транзистор будет доведен до насыщения, т. Е. , он полностью включен, когда на входе подается 5В.Таким образом, выход на коллекторе становится примерно нулевым.

Транзистор PNP как переключатель

Транзистор PNP работает так же, как NPN для операции переключения, но ток течет от базы. Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. Для транзистора PNP клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру.

При этом переключении базовый ток протекает, когда базовое напряжение более отрицательное. Проще говоря, низкое напряжение или более отрицательное напряжение приводит к короткому замыканию транзистора, в противном случае это будет разомкнутая цепь.

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

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

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

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру путем соединения базы на отрицательной стороне и эмиттера на положительной стороне входного источника питания. Итак, напряжение V BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера относительно коллектора положительное (V CE положительное).

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

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I C = I E — I B

I C = β * I B

I B = I C / β

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

Минимальный базовый ток = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

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

Практические примеры транзистора в качестве переключателя

Транзистор для переключения светодиода

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

  • Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в состоянии отсечки.Таким образом, транзистор работает как разомкнутый контур, и светодиод гаснет.
  • Когда переключатель замкнут, базовый ток начинает течь через транзистор, а затем достигает насыщения, в результате чего светодиод загорается.
  • Резисторы установлены для ограничения токов, протекающих через базу и светодиод. Также можно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.
Транзистор для работы реле

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

  • Рассмотрим приведенную ниже схему, чтобы узнать, как работает транзистор для подачи питания на катушку реле. Входной сигнал, приложенный к базе, приводит к переходу транзистора в область насыщения, в результате чего в цепи происходит короткое замыкание. Таким образом, на катушку реле подается напряжение и срабатывают контакты реле.
  • При индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, внезапное отключение питания может поддерживать высокий потенциал на катушке.Это высокое напряжение может привести к значительному повреждению остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить схему от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.
Транзистор для управления двигателем
  • Транзистор также может использоваться для однонаправленного управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока путем переключения транзистора через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
  • Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой, поэтому мы должны разместить на нем диод свободного хода для защиты цепи.
  • Переключая транзистор в областях отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
  • Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на различных частотах. Мы можем получить частоту переключения от управляющего устройства или микросхемы, например микроконтроллера.

У вас есть четкое представление о том, как транзистор можно использовать в качестве переключателя? Мы надеемся, что предоставленная информация с соответствующими изображениями и примерами проясняет всю концепцию переключения транзисторов.Далее, если у вас есть сомнения, предложения и комментарии, вы можете написать ниже.

Заключение

Полное руководство по использованию транзистора в качестве переключателя. Изучите основы биполярного переходного транзистора, области работы транзистора, работу транзисторов NPN и PNP в качестве переключателя, практическое применение переключающего транзистора.

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

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

Введение в транзистор

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

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

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

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

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

Использование транзистора в качестве переключателя

Теперь узнаем:

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

Где использовать?

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

Как им пользоваться?

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

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

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

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

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

Пример цифровых логических переключателей

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

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

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

Пример управления двигателем

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

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

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

Транзистор как переключатель с Arduino Пример

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

Транзистор как переключатель Пример моделирования Proteus

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

Транзистор как переключатель Примеры

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

Два транзистора в качестве переключателя, пример

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

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

Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

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

Реле управляющее с транзистором в качестве переключателя

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

Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

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

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

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

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

Видеолекция

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

Обратите внимание, что обычно к выходному устройству подключают диод подавления обратной ЭДС. Это важно для таких устройств, как реле, соленоиды и двигатели, которые создают обратную ЭДС при отключении питания.

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

Транзистор в качестве переключателя Применения

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

Статьи по теме:

Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях

Plate 1

by Lewis Loflin

Это представит широкое внедрение переключающих транзисторов PNP и NPN, ориентированных на общие 5-вольтовые микроконтроллеры.Биполярные транзисторы состоят из двух полупроводниковых переходов (таким образом, биполярных), которые служат для широкого круга электронных применений, от усилителей звука до цифровых схем.

Здесь нас интересует только их использование в качестве электронных переключателей для управления нагрузками, такими как реле, лампы, двигатели и т. Д. Они бывают в различных упаковках и стилях корпусов.

Табличка 2

На табличке 2 выше мы видим электронные символы как для NPN, так и для NPN. Они работают точно так же, за исключением противоположных электрических полярностей.Если набор транзисторов имеет точные электрические свойства, но противоположные полярности, они называются дополнительной парой .

Другой тип транзисторов известен как полевые МОП-транзисторы или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы , которые будут рассмотрены отдельно.

Пластина 3

На Таблице 3 показаны типичные электрические соединения для биполярных транзисторов PNP и NPN в системе микроконтроллера с отрицательным заземлением. Обратите внимание, что ток на этих иллюстрациях изменяется от отрицательного к положительному.

Обратите внимание на стрелки, обозначающие ток — с PNP ток коллектора (Ic) идет от коллектора (C) к эмиттеру (E), а NPN Ic — от эмиттера к коллектору.

Обратите внимание на положение транзисторов относительно GND, +12 В и нагрузки в этом случае двигателей постоянного тока. Работая как переключатель для включения-выключения двигателя, транзистор PNP расположен на стороне + Vcc нагрузки и будет источником тока.

С NPN-транзистором справа переключатель находится на стороне заземления нагрузки и, как говорят, потребляет ток.

Приемник и источник важны при подключении программируемых логических контроллеров (ПЛК), используемых для управления оборудованием в промышленности.

Нажимной переключатель Sw1 течет ток от GND через R1, и смещает вперед базу (B) относительно эмиттера. Это объединяется с током коллектора, чтобы произвести ток эмиттера обратно к источнику питания 12 В.

Push Sw2, это позволяет току от GND через эмиттер, который выплескивается, чтобы сформировать Ib и Ic для транзистора NPN.Это слишком прямое смещение перехода база-эмиттер. Отношения для обоих следующие:

 
Т.е. = Ic + Ib;
hfe = Ic / Ib.
  

Значения hfe представляют усиление по постоянному току — небольшой ток база-эмиттер создает больший ток эмиттер-коллектор.

При использовании в качестве переключателей транзисторы используются в режиме насыщения , где дополнительный ток база-эмиттер не создает дополнительного тока коллектор-эмиттер.

Пластина 4

На четвертой пластине показано, как проверить PN полупроводниковый переход.Диод — это самый простой полупроводниковый переход, в котором ток течет только в одном направлении. Цифровой вольтметр (DVM) должен выполнять функцию проверки диода, которая подает достаточно напряжения для прямого смещения диода, когда катодная сторона является отрицательной, а анодная сторона — положительной.

Если провода DVM перевернуты, ток не протекает. Падение напряжения на смещенном в прямом направлении PN-переходе составляет примерно 0,6В.

Пластина 5

На пластине 5 показано, как два PN-перехода в биполярных транзисторах действуют как встречные диоды.(Обратите внимание на противоположную полярность!) Ток не может течь через эмиттер-коллектор или коллектор-эмиттер. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток течет через смещенный в обратном направлении переход база-коллектор.

Пластина 6

На пластине 6 мы используем транзистор TIP41 NPN, рассчитанный на 6 ампер с минимальным значением hfe 20. Всегда принимайте наименьшее значение hfe из спецификаций транзистора!

Наша нагрузка (светодиод) требует 100 мА, чтобы найти необходимый ток база-эмиттер Ib = Ic / hfe = 0.1 А / 20 = 5 мА. Я предполагаю, что Ib равен 10 мА, чтобы убедиться, что TIP41 полностью отключается (насыщение).

При вводе 5 В от Arduino, PIC и т. Д. Вычтите 0,6 В для напряжения база-эмиттер, а затем разделите 4,4 В / 10 мА = 440 Ом.

Обратите внимание, что напряжение эмиттер-коллектор на транзисторе при насыщении составляет 0,5 В.

Пластина 7

2N3055 — это транзистор очень большой мощности, предназначенный для подачи сильного тока. В этом случае мы управляем двигателем на 10 ампер. Разделите 10 ампер на 20, нам понадобится не менее 500 мА.Это никак не сработает, потому что вывод Arduino, PIC и т. Д. Просто не может обеспечить такой уровень тока привода.

Пластина 8

На рисунке 8 представлена ​​так называемая конфигурация Дарлингтона, в которой ток коллектора-эмиттера одного транзистора обеспечивает ток база-эмиттер второго транзистора. Значения hfe для каждого транзистора равны , умноженному на вместе, чтобы получить значительное усиление по току в этом примере 2000.

Q2 также будет известен как предварительный драйвер.

Пластина 9

На пластине 9 показано, как подключить транзистор PNP к Arduino или аналогичному микроконтроллеру. Поскольку высокое напряжение 11 В на базе Q1 разрушит вывод ввода / вывода (ограничено 5 В), мы должны использовать транзисторный переключатель NPN (Q2) в качестве предварительного драйвера.

Пластина 10

На пластине 10 мы используем высокомощный Mj2955 (дополнение к более раннему 2N3055) с транзистором TIP42 PNP для формирования транзистора Дарлингтона. Мы снова используем предварительный драйвер NPN для защиты вывода ввода / вывода микроконтроллера от высокого базового напряжения Q2.

Надеюсь, серия была полезной. Любые исправления, предложения и т. Д. Пишите мне по адресу [email protected]

Транзисторные схемы

| Клуб электроники

Транзисторные схемы | Клуб электроники

Типы | Токи | Функциональная модель |
Использовать как переключатель | Выход IC | Датчики |
Инвертор | Дарлингтон пара

Следующая страница: Емкость

См. Также: Транзисторы

На этой странице объясняется работа транзисторов в простых схемах, в основном их использование в качестве переключателей.Практические вопросы, такие как тестирование, меры предосторожности при пайке и идентификация выводов, рассматриваются в
страница транзисторов.

Типы транзисторов

Есть два типа стандартных (биполярных) транзисторов, NPN и PNP,
с разными обозначениями схем. Буквы относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор.
Большинство используемых сегодня транзисторов являются NPN-транзисторами, потому что их проще всего сделать из кремния.
Эта страница в основном посвящена транзисторам NPN, и новичкам следует сначала сосредоточиться на этом типе.

Выводы помечены как база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).
Эти термины относятся к внутренней работе транзистора, но их не так много.
Помогите понять, как используется транзистор, поэтому относитесь к ним как к ярлыкам.

Обозначения схем транзисторов

Пара Дарлингтона — это два транзистора, соединенные вместе.
чтобы дать очень высокий коэффициент усиления по току.

Помимо стандартных (биполярный переход) транзисторов, есть
полевые транзисторы, которые обычно называют полевыми транзисторами.У них разные символы схем и свойства, и они не рассматриваются на этой странице.

Rapid Electronics: транзисторы


Токи транзисторов

На схеме показаны два пути тока через транзистор.

Малый ток базы управляет большим током коллектора.

Когда переключатель замкнут, небольшой ток течет в основание (B)
транзистор. Этого достаточно, чтобы светодиод B тускло светился. Транзистор усиливает
этот небольшой ток, чтобы позволить большему току течь через его коллектор (C)
к его эмиттеру (E).Этот ток коллектора достаточно велик, чтобы светодиод C светился ярко.

Когда переключатель разомкнут, базовый ток не течет, поэтому транзистор отключается.
коллекторный ток. Оба светодиода выключены.

Вы можете построить эту схему с двумя стандартными 5-миллиметровыми красными светодиодами и любым маломощным универсальным устройством.
Транзистор NPN (например, BC108, BC182 или BC548).
Это хороший способ проверить транзистор и убедиться, что он работает.

Транзистор

A усиливает ток и может использоваться как переключатель, как описано на этой странице.

С подходящими резисторами (и конденсаторами для переменного тока) транзистор может усиливать напряжение, такое как аудиосигнал.
но это еще не рассматривается на этом веб-сайте.

Режим общего эмиттера

Это устройство, в котором эмиттер (E) находится в цепи управления (базовый ток)
а в управляемой цепи (ток коллектора) называется режимом общего эмиттера.
Это наиболее широко используемая схема транзисторов, поэтому ее нужно изучить в первую очередь.



Функциональная модель NPN-транзистора

Функционирование транзистора сложно объяснить и понять с точки зрения его внутренней структуры.Более полезно использовать эту функциональную модель.

  • Переход база-эмиттер ведет себя как диод.
  • A базовый ток I B протекает только при напряжении V BE
    на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В или более.
  • Ток малой базы I B управляет током большого коллектора Ic
    варьируя сопротивление R CE .
  • Ic = h FE × I B
    (если транзистор не открыт и не насыщен).h FE — коэффициент усиления по току (строго по постоянному току),
    Типичное значение для h FE равно 100 (это отношение, поэтому у него нет единиц измерения).
  • Сопротивление коллектор-эмиттер R CE регулируется током базы I B :

    I B = 0, R CE = бесконечность, транзистор выключен

    I B малый, R CE уменьшенный, транзистор частично включен

    I B увеличен, R CE = 0, транзистор открыт («насыщен»)
Дополнительные примечания:
  • Базовый ток I B должен быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение транзистора.
    и резистор может быть подключен последовательно с базой.
  • Транзисторы имеют максимальный ток коллектора Ic.
  • Коэффициент усиления по току h FE может варьироваться в широких пределах,
    даже для однотипных транзисторов!
  • Полностью открытый транзистор (с R CE = 0) называется
    «насыщенный».
  • При насыщении транзистора напряжение коллектор-эмиттер В CE
    снижается почти до 0В.
  • Когда транзистор насыщается, определяется ток коллектора Ic.
    напряжением питания и внешним сопротивлением в цепи коллектора, а не
    коэффициент усиления транзистора по току.В результате соотношение Ic / I B
    для насыщенного транзистора коэффициент усиления по току меньше FE .
  • Ток эмиттера I E = Ic + I B , но Ic
    намного больше, чем I B , поэтому примерно I E = Ic.

Использование транзистора в качестве переключателя

Когда транзистор используется в качестве переключателя, он должен быть выключен или полностью включен.
Он никогда не должен быть включен частично (со значительным сопротивлением между C и E), потому что в
В этом состоянии транзистор может перегреться и выйти из строя.

В полностью открытом состоянии напряжение V CE на транзисторе почти равно нулю, и транзистор находится в
считается насыщенным, потому что он больше не может пропускать ток коллектора Ic.

Устройство, переключаемое транзистором, называется нагрузкой.

При выборе транзистора для использования в качестве переключателя необходимо учитывать его максимальный ток коллектора.
Ic (макс.) И его минимальное усиление по току h FE (мин.).
Номинальное напряжение транзистора может быть проигнорировано при напряжении питания менее 15 В.

Технические данные транзистора

Большинство поставщиков предоставляют данные о транзисторах, которые они продают, например
Быстрая электроника.

Мощность, развиваемая переключающим транзистором, должна быть очень маленькой

Мощность, развиваемая в транзисторе, проявляется в виде тепла, и транзистор будет разрушен, если станет слишком горячим.
Это не должно быть проблемой для транзистора, используемого в качестве переключателя, если он был выбран и настроен правильно, потому что
мощность, развиваемая внутри него, будет очень маленькой.

Мощность (тепло), развиваемая в транзисторе:

Power = Ic × V CE

  • Когда ВЫКЛ: Ic равен нулю, поэтому мощность равна нулю.
  • При полном ВКЛЮЧЕНИИ: V CE почти равен нулю, поэтому мощность очень мала.
Было бы реле лучше транзисторного переключателя?

Транзисторы не могут переключать переменный ток или высокое напряжение (например, электросеть), и они
обычно не лучший выбор для коммутации больших токов (> 5A).Реле подходят для всех этих ситуаций, но учтите, что
для переключения тока катушки реле может все же потребоваться маломощный транзистор.
Для получения дополнительной информации, включая преимущества и недостатки,
см. страницу реле.

Защитный диод для нагрузок с катушкой, таких как реле и двигатели

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки, такой как двигатель или реле,
диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от
кратковременное высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки.

На схеме показано, как защитный диод подключен к нагрузке «в обратном направлении», в данном случае катушка реле.

Для этого подходит сигнальный диод типа 1N4148.

Зачем нужен защитный диод?

Ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое внезапно схлопывается.
при отключении тока. Внезапный коллапс магнитного поля вызывает
кратковременное высокое напряжение на катушке, которое может повредить транзисторы и микросхемы.Защитный диод позволяет индуцированному напряжению пропускать кратковременный ток через катушку.
(и диод), поэтому магнитное поле исчезает быстро, а не мгновенно. Это предотвращает
индуцированное напряжение становится достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение транзисторов и микросхем.


Подключение транзистора к выходу включения / выключения цифровой ИС

Большинство ИС не могут обеспечивать большие выходные токи, поэтому может потребоваться использование транзистора.
для переключения большего тока, необходимого для таких устройств, как лампы, двигатели и реле.Микросхема таймера 555 необычна тем, что может обеспечивать относительно большой ток до 200 мА,
Достаточно для многих реле и других нагрузок без транзистора.

Базовый резистор ограничивает ток, протекающий в базу транзистора, чтобы предотвратить его повреждение.
но он также должен пропускать достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью насыщен.
при включении.

Транзистор, который не полностью насыщен при включении, может перегреться и выйти из строя.
особенно если транзистор переключает большой ток (> 100 мА).

В следующем разделе объясняется, как выбрать транзистор и базовый резистор для обеспечения полного насыщения.

Переключение нагрузки с другим напряжением питания

Транзистор может использоваться для включения ИС, подключенной к источнику низкого напряжения (например, 5 В)
для переключения тока нагрузки с отдельным источником постоянного тока (например, 12 В).

Два источника питания должны быть связаны. Обычно их соединения 0 В связаны и транзистор NPN
используется на выходе IC. Однако, если на выходе IC используется транзистор PNP, положительные (+) соединения
вместо этого должны быть подключены.

Выбор транзистора и базового резистора для цифрового выхода ИМС

Следуйте этому пошаговому руководству, чтобы выбрать подходящий транзистор для подключения к двухпозиционному выходу.
цифровой ИС (логический вентиль, счетчик, PIC, микроконтроллер и т. д.) для переключения нагрузки, такой как лампа, двигатель или реле.
Данные о транзисторах можно получить у большинства поставщиков, например см.
Быстрая электроника.

1. Выберите правильный тип транзистора, NPN или PNP

Вы хотите, чтобы нагрузка включалась, когда выход IC высокий? Или когда он или низкий?

  • Для включения, когда на выходе IC высокий уровень, используйте транзистор NPN.
  • Для включения, когда на выходе IC низкий уровень, используйте транзистор PNP.

Транзисторы NPN и PNP подключаются по-разному, как показано на схемах ниже, но
Расчеты и требуемые свойства одинаковы для обоих типов транзисторов.

Транзисторный переключатель NPN
нагрузка включается, когда выход IC высокий

Транзисторный переключатель PNP
нагрузка включается, когда выход IC низкий

2. Узнайте напряжение питания и характеристики нагрузки.

Чтобы определить требуемые свойства транзистора, вам необходимо знать следующие значения:

  • Vs = напряжение питания нагрузки.
  • R L = сопротивление нагрузки (например, сопротивление катушки реле).
  • Ic = ток нагрузки (= Vs / R L ).
  • Максимальный выходной ток микросхемы — см. Техническое описание микросхемы.
    Если вы не можете найти эту информацию, примите низкое значение, например 5 мА.
  • Vc = напряжение питания ИС (обычно это Vs, но оно будет другим, если ИС и нагрузка имеют отдельные источники питания).

Примечание: не путайте IC (интегральная схема) с Ic (ток коллектора).

3. Определить требуемые свойства транзистора

Выберите транзистор правильного типа (NPN или PNP из шага 1), чтобы удовлетворить следующие требования:

  • Максимальный ток коллектора транзистора Ic (max) должен быть больше тока нагрузки:
    Ic (max)> напряжение питания Vs
    сопротивление нагрузки R L
  • Минимальное усиление тока транзистора h FE (мин) должно быть не менее 5
    умноженный на ток нагрузки Ic, деленный на максимальный выходной ток IC.

    ч FE (мин)> 5 × ток нагрузки Ic
    макс. IC current
4. Определите значение для базового резистора R

B

Базовый резистор (R B ) должен пропускать ток, достаточный для обеспечения нормальной работы транзистора.
полностью насыщен при включении, и хорошо бы увеличить ток базы (I B ) примерно в пять раз
значение, которое просто насыщает транзистор.Воспользуйтесь приведенной ниже формулой, чтобы найти подходящее сопротивление для R B и выбрать ближайшее стандартное значение.

R B = 0,2 × R L × h FE (см. Примечание)

Примечание: если ИС и нагрузка имеют разные напряжения питания, например 5 В для ИС
но 12 В для нагрузки используйте формулу ниже для R B :

R B = Vc × h FE , где Vc — напряжение питания
IC
5 × Ic
5.Проверьте, нужен ли вам защитный диод

Если включаемой и выключаемой нагрузкой является двигатель, реле или соленоид (или любое другое устройство с катушкой):
диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от короткого замыкания.
высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки. Обратите внимание, что диод подключен «в обратном направлении», как показано на рисунке.
на диаграммах выше.

Пример

Выход КМОП-микросхемы серии 4000 необходим для работы реле с
100, включается, когда выход IC высокий.Напряжение питания составляет 6 В как для ИС, так и для нагрузки. ИС может обеспечивать максимальный ток 5 мА.

  • Транзистор NPN необходим, потому что катушка реле должна быть включена, когда выход IC высокий.
  • Ток нагрузки = Vs / R L = 6/100 = 0,06 A = 60 мА, поэтому транзистор должен иметь Ic (макс.)> 60 мА.
  • Максимальный ток от ИС составляет 5 мА, поэтому транзистор должен иметь h FE (мин)> 60
    (5 × 60 мА / 5 мА).
  • Выберите универсальный маломощный транзистор BC182 с Ic (макс.) = 100 мА.
    и h FE (мин) = 100.
  • R B = 0,2 × R L × h FE
    = 0,2 × 100 × 100 = 2000,
    поэтому выберите R B = 1k8 или 2k2.
  • Для катушки реле требуется защитный диод.

Rapid Electronics: транзисторы


Использование транзистора в качестве переключателя с датчиками

На схемах ниже показано, как подключить LDR (датчик освещенности) к транзистору, чтобы
светочувствительный переключатель цепи на светодиоде. Есть две версии: одна включается в темноте, другая при ярком свете.Переменный резистор регулирует чувствительность. Для переключения светодиода можно использовать любой транзистор малой мощности общего назначения.

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки (например, двигателя или реле) вместо светодиода, вы должны включить
защитный диод поперек нагрузки.

Если переменный резистор находится между + Vs и базой, вы должны добавить резистор с фиксированным номиналом не менее
1к (10к
в примере ниже), чтобы защитить транзистор, когда переменный резистор уменьшен до нуля, в противном случае чрезмерная база
ток разрушит транзистор.

Светодиод загорается, когда LDR не светится

Светодиод загорается, когда LDR яркий

Обратите внимание, что переключающее действие этих простых схем не очень хорошее, потому что
будет промежуточной яркостью, когда транзистор будет частично включен (не насыщен).
В этом состоянии транзистор может перегреться, если он не коммутирует небольшой ток.
Нет проблем с малым током светодиода, но больший ток лампы, двигателя или реле может вызвать перегрев.

Другие датчики, например термистор,
могут использоваться с этими схемами, но для них может потребоваться другой переменный резистор.
Вы можете рассчитать приблизительное значение переменного резистора (Rv), используя
мультиметр для определения минимального и максимального значений
сопротивления датчика (Rmin и Rmax), а затем по этой формуле:

Значение переменного резистора:
Rv = квадратный корень из (Rmin × Rmax)

Например, LDR: Rmin = 100,
Rmax = 1M,
поэтому Rv = квадратный корень из (100 × 1M)
= 10к.

Вы можете сделать гораздо лучшую схему переключения, подключив датчики к подходящему
IC (чип). Действие переключения будет намного более резким без частичного включения.



Транзисторный инвертор (НЕ затвор)


Дарлингтон пара

Пара Дарлингтона — это два транзистора, соединенных вместе, так что ток, усиливаемый первым, усиливается.
далее вторым транзистором.

Пара ведет себя как одиночный транзистор с очень высоким коэффициентом усиления по току, так что
для включения пары требуется лишь крошечный базовый ток.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона (h FE ) равен двум индивидуальным коэффициентам усиления.
(h FE1 и h FE2 ), умноженные вместе — это дает паре очень высокий коэффициент усиления по току, например 10000.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:
ч FE = h FE1
× h FE2

Обратите внимание, что для включения пары Дарлингтона должно быть 0,7 В на обоих переходах база-эмиттер, которые
соединены последовательно так 1.Для включения требуется 4 В.

Rapid Electronics: транзисторы Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона

пары Дарлингтона доступны в виде корпуса «транзистор Дарлингтона» с тремя выводами.
(B, C и E)
эквивалентно стандартному транзистору.

Вы также можете сделать свою собственную пару Дарлингтона из двух обычных транзисторов.
TR1 может быть маломощным, но TR2 может потребоваться высокая мощность.
Максимальный ток коллектора Ic (max) для пары такой же, как Ic (max) для TR2.

Цепь сенсорного переключателя

Пара Дарлингтона достаточно чувствительна, чтобы реагировать на небольшой ток, проходящий через
ваша кожа, и ее можно использовать для создания сенсорного переключателя, как показано на схеме.

Для этой схемы, которая просто зажигает светодиод, два транзистора могут быть любого общего назначения.
транзисторы малой мощности.

100к
резистор защищает транзисторы, если контакты соединены куском провода.

Схема сенсорного переключателя


Rapid Electronics (Быстрая электроника)
любезно разрешили мне использовать их изображения на этом веб-сайте, и я очень благодарен за их поддержку.У них есть широкий ассортимент компонентов, инструментов и материалов для электроники, и я рад
рекомендую их как поставщика.


Следующая страница: Емкость | Исследование


Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию.
Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет
используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому.
На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на
рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден.Рекламодателям не передается никакая личная информация.
Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации.
Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов.
(включая этот), как объяснил Google.
Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста,
посетите AboutCookies.org.

клуб электроники.инфо © Джон Хьюс 2021

Примеры того, как транзистор действует как переключатель

Транзисторы состоят из полупроводникового материала, который чаще всего используется для усиления или переключения, хотя их также можно использовать для управления потоком напряжения и тока. Не все, но большинство электронных устройств содержат один или несколько типов транзисторов. Некоторые транзисторы размещаются индивидуально или обычно в интегральных схемах, которые различаются в зависимости от их применения.

Если мы говорим об усилении, электронная циркуляция тока может быть изменена добавлением электронов, и этот процесс приводит к изменениям напряжения, которые пропорционально влияют на многие изменения выходного тока, вызывая усиление.

А, если говорить о коммутации, то есть два типа транзисторов NPN и PNP. В этом руководстве мы покажем вам, как использовать транзисторы NPN и PNP для переключения, на примере схемы переключения транзисторов для транзисторов типа NPN и PNP.

Требуемый материал

  • BC547-NPN Транзистор
  • BC557-PNP Транзистор
  • LDR
  • светодиод
  • Резистор (470 Ом, 1 МОм)
  • Аккумулятор-9В
  • Соединительные провода
  • Макет

Цепь переключения транзистора NPN

Прежде чем приступить к принципиальной схеме, вы должны знать концепцию транзистора NPN как переключателя. В транзисторе NPN ток начинает течь от коллектора к эмиттеру только при минимальном напряжении 0.На клемму базы подается 7В. Когда на клемме базы нет напряжения, она работает как разомкнутый переключатель между коллектором и эмиттером.

Схема переключения транзисторов

NPN

Теперь, как вы видите на схеме ниже, мы сделали схему делителя напряжения, используя LDR и резистор 1 МОм. Когда рядом с LDR горит свет, его сопротивление становится НИЗКИМ, а входное напряжение на клемме базы ниже 0,7 В, чего недостаточно для включения транзистора.В это время транзистор ведет себя как разомкнутый переключатель.

Когда над LDR темно, его сопротивление внезапно увеличивается, следовательно, схема делителя генерирует достаточно напряжения (равное или более 0,7 В) для включения транзистора. И, следовательно, транзистор ведет себя как закрытый переключатель и начинает течь ток между коллектором и эмиттером.

Цепь переключения транзистора PNP

Концепция транзистора PNP как переключателя заключается в том, что ток прекращает течь от коллектора к эмиттеру только при минимальном напряжении 0.На клемму базы подается 7В. Когда на клемме базы нет напряжения, она работает как переключатель между коллектором и эмиттером. Просто коллектор и эмиттер соединены изначально, когда подано базовое напряжение, соединение между коллектором и эмиттером разрывается.

Схема переключения транзисторов

PNP

Как вы видите на принципиальной схеме, мы сделали схему делителя напряжения, используя LDR и резистор 1 МОм.Работа этой схемы прямо противоположна переключению транзистора NPN.

Когда рядом с LDR горит свет, его сопротивление становится НИЗКОМ, а входное напряжение на клемме базы выше 0,7 В, чего достаточно для включения транзистора. В это время транзистор ведет себя как открытый переключатель, поскольку это транзистор PNP.

Когда над LDR темно, его сопротивление внезапно увеличивается, следовательно, напряжения недостаточно для включения транзистора. И, следовательно, транзистор ведет себя как закрытый переключатель и начинает течь ток между коллектором и эмиттером.

BJT устройство как коммутатор [Analog Devices Wiki]

Цель:

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

Примечания:

Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования. Зеленые заштрихованные прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Контакты аналогового канала ввода / вывода обозначаются как CA и CB. При настройке для принудительного измерения напряжения / измерения тока — В добавляется, как в CA- V , или при настройке для принудительного измерения тока / измерения напряжения добавляется -I, как в CA-I.Когда канал настроен в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения, -H добавляется как CA-H.

Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению / току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.

Фон:

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

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

Это состояние похоже на разомкнутый переключатель.

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

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

Рисунок 1 Переключатель NPN BJT и его линия нагрузки.

Характеристики переключателя BJT предполагают, что:

  1. В в достаточно мало, чтобы транзистор перешел в режим отсечки.
  2. + В в должен обеспечивать достаточный базовый ток через R B , чтобы транзистор перешел в насыщение.
  3. Транзистор — идеальный компонент.

Эти условия можно обеспечить, спроектировав схему так, чтобы:

  1. + V дюйм = V BE + I B R B ( V CC — хороший максимум)
  2. I B > I Csat / ß

Условие 1 гарантирует, что схема будет переведена в область отсечки входом.Условия 2 и 3 гарантируют, что транзистор будет переведен в область насыщения.
Настоящий переключатель BJT отличается от идеального переключателя по нескольким аспектам. На практике даже в режиме отсечки через транзистор возникает небольшой ток утечки. Кроме того, при насыщении на внутреннем сопротивлении транзистора всегда падает некоторое напряжение. Обычно это будет от 0,2 до 0,4 В в насыщении в зависимости от тока коллектора и размера устройства. Эти отклонения от идеала обычно незначительны для устройства правильного размера, поэтому мы можем предположить, что условия близки к идеальным при анализе или проектировании схемы переключателя BJT.

Материалы:

Модуль ADALM1000.

Направление:

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

Постройте схему переключателя светодиодов, показанную на рисунке 2, на беспаечной макетной плате.R C служит для ограничения тока, протекающего в светодиоде от источника питания +5 В . Переключатель управляется выходным напряжением канала А с разъема ввода / вывода. В канале осциллографа B будет отображаться напряжение на переключающем транзисторе Q 1 ( В, CE ) или напряжение на светодиоде, как показано зелеными стрелками.

Настройка оборудования:

Генератор CA должен быть настроен на прямоугольную волну 100 Гц с максимальным напряжением 3 вольта и минимальным напряжением 0 вольт.Канал осциллографа B подключен для измерения напряжения на транзисторе или в верхней части светодиода. Ток, протекающий через транзистор, можно рассчитать как разницу напряжений между источником питания +5 В и CB- В , деленную на номинал резистора (100 Ом). Трасса тока в канале A измеряет ток в R B .

Процедура:

Сохраните кривую напряжения на коллектор-эмиттер транзистора (пунктирная зеленая линия канала B) и на светодиодах (сплошная зеленая линия канала B) и включите их в описание своей лаборатории.

Вопросы:

Какой ток протекает в резисторах R C и R B , когда светодиод горит и когда светодиод не горит?

Вычислите ß, когда Q 1 насыщен. Как это значение соотносится с spec , указанным в таблице данных?

Параллельных переключателей:

Два NPN-транзистора могут быть соединены с их коллекторами и эмиттерами параллельно, рисунок 3, что обеспечивает возможность включения нагрузки от двух разных сигналов.Любой из входов может включить нагрузку, но оба должны быть выключены, чтобы нагрузка отключилась. Это называется логической функцией «ИЛИ».

Рисунок 3, два переключателя параллельно

Измените схему на макетной плате, чтобы она выглядела как на рисунке 3. Добавьте второй NPN-транзистор Q 2 и второй базовый резистор R B2 , как показано. Теперь подключите другие концы R B1 и R B2 к контактам цифрового порта ввода / вывода PIO 0 и PIO 1 соответственно.Откройте окно цифрового управления и установите PIO 0 и PIO 1 на все четыре комбинации логических 0 и 1. Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и резисторе коллектора можно контролировать с помощью входа осциллографа CHB, как и раньше.

Коммутаторов в серии:

Два NPN-транзистора могут быть соединены последовательно с коллектором нижнего транзистора, подключенным к эмиттеру верхнего транзистора, рис. 4, что позволяет отключать нагрузку от двух разных сигналов.Любой из входов может выключить нагрузку, но для включения нагрузки должны быть включены оба. Это называется логической функцией «И».

Рисунок 4, два переключателя последовательно

Измените схему на макетной плате, чтобы она выглядела как на рисунке 4. Теперь второй NPN-транзистор включен последовательно с эмиттером Q 1 . Снова другие концы R B1 и R B2 подключены к контактам цифрового порта ввода / вывода PIO 0 и PIO 1 соответственно. Опять же, установите PIO 0 и PIO 1 на все четыре комбинации логических 0 и 1.Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и резисторе коллектора можно контролировать с помощью входа осциллографа CHB, как и раньше. Вы также должны измерить напряжение на соединении между эмиттером Q 1 и коллектором Q 2 для каждого из четырех условий. Прокомментируйте напряжения, наблюдаемые на коллекторе Q 2 в вашем лабораторном отчете, и почему.

Биполярный транзистор Реализация затвора XNOR

Однотранзисторный инверторный каскад вместе с несколькими входными резисторами можно комбинировать для создания более сложных логических функций.Конфигурация, показанная на рисунке 5, реализует двухвходовую исключительную логическую функцию NOR (XNOR). Всего вам понадобится 5 транзисторов NPN, 13 резисторов и один светодиод.

Резисторы, используемые в качестве входов на базах 5 NPN-транзисторов, не имеют одинакового номинала, и теоретически все они должны иметь одинаковое значение. Но диапазон значений по-прежнему будет работать, учитывая относительно высокую бета транзисторов 2N3904, и показанные значения были выбраны таким образом, чтобы не требовалось больше пяти из любого одного значения, входящего в комплект аналоговых деталей.Вы можете поэкспериментировать с другими номиналами резисторов, чтобы найти диапазон минимальных и максимальных значений.

Рис. 5. Резистор и затвор XNOR на NPN-транзисторе.

Снова установите PIO 0 и PIO 1 на все четыре комбинации логических 0 и 1. Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и коллекторном резисторе Q 5 можно контролировать с помощью входа осциллографа CH-B, как и раньше. Вы также можете использовать вход CH-B (и / или CH-A) для контроля напряжений на коллекторах Q 1 — Q 4 при изменении PIO 0 и 1.

Ресурсы:

Для дальнейшего чтения:

Транзистор
Светодиод
Схема светодиода

Вернуться к содержанию «Введение в электротехническую лабораторию»
Вернуться к содержанию лабораторных работ по схемам
Вернуться к содержанию «Электронная лаборатория».

.