Транзисторные ключи для светодиодов

Содержание

AterLux › Блог › Импульсный драйвер светодиодов из компаратора и палок

Допустим нужно зажечь три последовательно включенных белых 1Вт светодиода (суммарное падение напряжения 9,5В) от автомобильной сети (10,5-16В), а под рукой нет подходящего драйвера, или по какой-то причине лень идти за ним в магазин, или просто хочется поиграться с использованием рассыпухи, оставшейся от разобранного телевизора…

Ниже речь пойдёт о том, что такое импульсный драйвер светодиодов, и как его сделать на основе обычного компаратора

Итак, рассмотрим схему, где у нас в кружок включены источник питания, выключатель, дроссель и светодиод. В середину воткнём обратный диод: он нам ещё пригодится.

Когда выключатель замкнут, ток начинает течь по цепи. Но дроссель не даёт току вот так просто взять и потечь: изменяющийся ток, протекающий через дроссель, вызывает изменение магнитного поля в нём. Изменение магнитного поля, как мы знаем, возбуждает ток в проводнике, этот ток направлен в обратную сторону, то есть препятствует нарастанию тока в дросселе.
В итоге, вместо того, чтобы просто так взять и потечь, ток будет медленно и печально нарастать со временем. Рассчитать скорость нарастания тока можно по формуле:

Где ΔI/Δt – это изменение тока за время (в амперах и секундах, соответственно); U – напряжение на дросселе (т.е. разница напряжений до и после, в вольтах), а L – его индуктивность (в Генри).

Например, если у нас есть катушка на 100мкГн, и мы замыкаем выключатель на 1мкс, а напряжение в сети 10В, то ток успеет вырасти только до 100мА.

Ну, допустим, худо-бедно ток пошёл через цепь, а что будет, если разомкнуть выключатель?

Ситуация та же самая: изменение магнитного поля в дросселе создаёт в нём же ток, и ток так просто не прекращается, а продолжает себе течь.
Формула для расчёта та же, что и выше. Если бы дроссель оказался просто в разомкнутой цепи, то ток, не встречая никакого сопротивления, начал бы производить высокое напряжение, ограниченное лишь потерями в дросселе, сотни, а то и тысячи вольт. Между контактами выключателя можно было бы наблюдать искорку. К счастью, мы предусмотрительно воткнули в цепь диод. Этот диод лихо заворачивает ток обратно в цепь, и ток плавненько затухает, по той же самой формуле.

Когда речь идёт об управлении светодиодами, это значит, задача стоит в стабилизации тока в цепи на заданном уровне. Что, если бы мы смогли управлять нашим выключателем, наблюдая за током в цепи?

Когда ток становится меньше чем надо, замыкаем ключ, а когда больше чем надо – размыкаем. Самый простой вариант наблюдения за током – это использование шунтового резистора.

Когда через резистор R протекает ток I, на нём, как помним из закона Ома, падает напряжение, U = I * R

Итак, остаётся дело за малым:
1) Где-нибудь взять эталонное напряжение;
2) Сравнить напряжение на резисторе с эталонным;
3) Поставить достаточно быстрый ключ;
4) Поставить достаточно быстрый диод.

Труля-ля, вот и схема:

Погодите-погодите! Она только на вид страшная, на самом она добрая и дарит детям конфеты и всё тут не так уж и жутко.

Для эксперимента я взял самый дешёвый компаратор из тех, что у меня были в наличии. Это оказался LM2901 (so-14, четыре компаратора в корпусе), но пойдут практически любые подобные (LM239, LM339 – также 4 штуки в корпусе; LM2903, LM293, LM393 – по 2 штуки в корпусе; ну и т.д.).
Работают такие компараторы при напряжении питания от 2 до 36 Вольт, а выход у них выполнен «на открытом коллекторе» в виде npn-транзистора, который притягивает выход к земле, когда компаратор выводит «низкий уровень», и болтается сосиской ни к чему не подсоединённый, когда выводится «высокий уровень». Такая схема с одной стороны позволяет объединять пучок компараторов вместе, но с другой – требует подтягивающего резистора. Минимум эти компараторы способны притягивать к земле ток 6мА, а типично – 16мА.

У компаратора есть два входа: «плюс» (он же «позитивный», он же «не-инверсный») и «минус» (он же «негативный», он же «инверсный»). Когда напряжение на одном из входов компаратора больше, чем на другом плюс небольшое смещение (т.н. offset voltage, типично 1мВ), то выход замыкается на землю. Когда станет наоборот – размыкается.
Вот только я никогда раньше с компараторами не работал и поэтому засомневался: а на каком входе напряжение должно быть больше, чтобы выход замкнулся? С одной стороны он «замыкается», то есть переходит в некое активное состояние и можно ожидать, что это происходит когда «плюс» больше «минуса». Но с другой стороны, мы говорим о логических уровнях, и раз замыкается он на землю, то это низкий логический уровень, т.е. когда условие не выполняется и «плюс» меньше «минуса».

Ещё больше сумбура внесли снусмумрики с сайта «амперка», цитирую:
Если «+» оказывается больше, чем «−», выходным сигналом является земля (GND)

Не меньшими Ёжинами-с-бажин оказались и товарищи из Техас Инструментс, цитирую страницу 10, секция 8.3:
The output NPN sinks current when the positive input voltage is higher than the negative input voltage and the offset voltage
перевожу: «Выходной NPN потребляет ток, когда напряжение на позитивном входе больше, чем напряжение на негативном и напряжение смещения»

А вот в других местах, да и в том же даташите от TI (стр 12, секция 9.2.2.1) писали прямо противоположное. Поэтому я решил пойти по-научному. Припаял проводочки к микросхемке, подавал всякие бесстыжие напряжения на входы, да смотрел что у неё на выходе.

Итак, я публикую результаты своих научных изысканий:
Когда напряжение на входе «плюс» (плюс напряжение смещения) больше напряжения на входе «минус», выход компаратора открыт – т.е. висит в воздухе, не потребляет ток. Соответственно, если есть внешний подтягивающий резистор, на выходе будет высокий уровень.
Когда напряжение на входе «плюс» (плюс напряжение смещения) меньше напряжения на «минусе», — то включается выходной NPN транзистор и замыкает выход на землю, на выходе устанавливается низкий уровень.
Т.е. выход замыкается, как только напряжение на «плюсе» падает ниже «минуса».

Что это значит для геополитической ситуации вообще и для нашей схемы в частности? А то, что на вход «плюс» мы запулим напряжение с шунта, в то время как к «минусу» прикрутим опорное напряжение. Когда напряжение с шунта упадёт ниже нужного, заработает выходной каскад компаратора, который включит ток через транзистор.

1 Вт светодиоды работают при токе 350мА. Значит нужно подобрать такой шунт, чтобы на нём не было слишком много потерь. Я решил использовать шунт 0,5 Ома, составленный из двух параллельных 1-омных резисторов. Т.е. нужно на нём стабилизировать напряжение в районе 175 милливольт.

Всё что на схеме правее конденсатора C1 и левее компаратора – это просто куча барахла, чтобы сгенерировать опорные 0,17 Вольт. В качестве стабилизатора я использовал источник опорного напряжения TL431 – это такой волшебный стабилитрон, который очень точно стабилизирует падение напряжения на уровне 2,5 Вольт, если через него течёт ток от 1 до 100мА (а вообще работать начинает и при 400мкА, при нормальных условиях). Вместо него можно использовать линейные стабилизаторы напряжения, или обычные стабилитроны, с учётом того, что стабилизированное напряжение на стабилитроне будет плавать в значительно больших пределах в зависимости от температуры, или напряжения питания.
R2, R3 – это туподелитель, который превращает 2,5 Вольта в нужные 0,17, C2 фильтрует возможные скачки плюс выполняет роль медленного старта, т.к. замедляет рост опорного напряжения, и, как следствие, стабилизируемого тока в цепи, при старте. Его ёмкость не так уж важна; 1 нФ тоже сойдёт, можно даже обойтись без него.

Если нужно собрать несколько драйверов для нескольких цепей светодиодов, то опорного напряжения достаточного одного на всех.

В качестве ключа используется более-менее мощный МОП-полевой транзистор с p-каналом, затвор которого рассчитан на 20 вольт. Я в качестве такового взял IRLML9301 в корпусе sot23: он рассчитан на ток до 3,6 Ампер и сопротивление сток-исток, при 10 Вольтах на затворе-истоке, всего 51 мОм. Впрочем, в данной схеме страшно не столько сопротивление открытого транзистора, сколько ёмкость затвора, которая увеличивает время открытия и закрытия, как следствие, потери на переходные процессы.

Для управления транзистором используется драйвер из двух встречных эмиттерных повторителей на NPN вверху (VT1) и PNP внизу (VT2), я взял BC817 и BC807, соответственно, с усилением по току 250 (а вообще не выбирал – открыл коробку, да сунул руку)

Абы какие диоды в импульсные преобразователи не подходят, нужны диоды с барьером Шоттки. По сравнению с обычными диодами, у Шоттки пренебрежительно малое время восстановления – т.е. они закрываются практически мгновенно и также малое падение напряжения на них (типично от 0,25 Вольт против 0,7 у обычных), а значит меньше потери. Для преобразователя – просто прелесть, а вот для повседневной жизни у них есть ряд недостатков: относительно большой ток утечки при обратном включении, который может при нагреве достигать десятков миллиампер, плюс необратимый выход из строя при превышении допустимого напряжения.
Итак, я взял MBR0540 в корпусе sod123 рассчитанный на постоянный ток до 0,5 Ампер.

Дроссель можно выбирать по принципу «чем больше, тем лучше», ведь именно дроссель будет задавать скорость нарастания тока, как следствие, амплитуду его пульсации и частоту. Но можно ограничить индуктивность снизу.
Из описания компаратора известно, что скорость его реакции составит от 300нс до 1,3мкс, в зависимости от того насколько велика разница напряжений на входах: чем больше, тем быстрее он переключится. По многочисленным графикам в даташитах можно видеть, что при разнице более 20мА, скорость реакции будет на уровне 600нс, плюс накинем 400нс про запас на скорость реакции всей этой транзисторной конструкции, будем условно считать что ток в дросселе не должен достичь заоблачных пределов за 1 мкс, пока это не будет обнаружено и транзистор, наконец, не закроется.

Теперь нужно выяснить какое напряжение на дросселе у нас будет? А очень просто – разница входного и выходного. Если мы пихаем конструкцию в автомобиль, то входное возьмём 14 Вольт, а выходное – это три белых светодиода по 3,2 Вольта на каждом + 0,17 Вольт на шунте, итого 9,8 Вольт примерно.
Раз уж берём цифры с потолка, то сядем в позу лотоса, помедитируем, дабы определиться какой размер тока для нас будет страшным. Скажем, мы не хотим чтобы ток за эту микросекунду разросся более чем на 150мА выше задуманного. Итак, знаем напряжение, знаем дельту времени, знаем дельту тока, из формулы, которая была в начале, вычленим значение индуктивности:
L= U * Δt / ΔI
Подставляем:
L=4,2В * 1мкс / 0,15А = 28мкГн (главное не запутаться в микро- и прочих).

Итак, нам нужен дроссель выше 28мкГн рассчитанный на ток выше 0,35А.
По-хорошему берём что-то в районе 100мкГн и от 0,5А, чтоб с запасом всё работало плавненько. Слишком гигантские индуктивности тоже ни к чему, т.к. у них большое сопротивление, а значит больше потери.
У нас в магазинчике, например, продаются выводные «бочонки» Ø6×10мм на 100мкГн и 710мА всего за 13 рублей.
Но мне интереснее было провести испытания, поэтому я взял smd самую маленькую как по току так и по индуктивности, чтобы посмотреть что получится – 33мкГн на 0,4А.

Ну, во-первых, т.к. ток в цепи будет пульсировать, чтобы не слишком напрягать источник питания нашей схемы, нужен хороший входной конденсатор электролит, от 47мкФ и выше, на схеме это C1

Во-вторых, рядом с силовым транзистором (а если предполагается что драйверов будет несколько – то рядом с каждым) нужно впихнуть конденсатор с низким ESR, который будет брать на себя ударные нагрузки. Т.е. керамический конденсатор. Подойдёт 1мкФ. На схеме это C3

Наконец, чтобы сгладить скачки тока в цепи светодиодов, можно параллельно им также вштындурить керамику C4 также на микрофарад или около того.

Поскольку схема стабилизирует ток, то большого значения не имеет, сколько светодиодов включены последовательно, лишь бы суммарное падение напряжения на них, при номинальном токе, было меньше, чем напряжение питания минус потери на шунте, транзисторе и дросселе (грубо минус вольт, однако помним, что чем меньше падение напряжения на светодиодах, тем больше амплитуда пульсации тока).
Если речь идёт про белые осветительные светодиоды 1Вт, то падение напряжения на них в районе 3,2 Вольта – таких можно включить три штуки. Если мы ваяем, например, стоп-сигнал, и используем красные светодиоды на которых типичное падение напряжения 2,3 Вольта, то таких уже можно зарядить сразу четыре.

Читайте также:  Формулы для расчета трансформаторов

Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

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:

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.

Транзисторный ключ

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.

Читайте также:  Кабель для соединения видеокарт

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 IК имеет 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 ниж е.

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.

Функция вывода сигналов. Знакомство с резистором, диодом, транзистором в качестве ключа. LED-индикация

Лабораторная работа №1

Функция вывода сигналов. Знакомство с резистором, диодом, транзистором в качестве ключа. LED-индикация

Цель: изучение работы базовых электронных элементов с использованием платы Arduino. Работа со стандартными библиотеками ввода/вывода сигналов Arduino IDE.

1) Беспаечная макетная плата

Рис. 1.1 Беспаечная макетная плата в Electronics Lab

Рис. 1.2 Реальное устройство беспаечной макетной платы

Рис. 1.3 Контактный элемент макетной платы

Беспаечная макетная плата используется для быстрого прототипирования.
Преимуществами беспаечной макетной платы являются:
1. Легкая сборка прототипа
2. Быстрая сборка прототипа
3. Легкость в исправлении ошибок
4. Не нужно иметь практические навыки монтажа электроэлементов

Закон Ома – это утверждение о пропорциональности силы тока в проводнике приложенному напряжению. В электротехнике принято записывать закон Ома в интегральном виде

де U — приложенное напряжение,

R — электрическое сопротивление проводника.

Простейшим компонентом любой схемы является резистор. Этот элемент предназначен для создания сопротивления. Таким образом можно ограничивать ток протекающий через участок схемы. На принципиальных схемах встречается два обозначения резисторов – европейское, рис. 3.1а и американское, рис. 3.1б.

Рис. 3.1 – Обозначение резистора и его изображение в Electronics lab.

Сопротивление измеряется в Омах (Ω), определить номинал резистора можно при помощи омметра, или с помощью маркировки на корпусе.

Рис. 3.2 Маркировка резистора

Диод – это полупроводниковое устройство, которое пропускает ток только в одном направлении – от анода к катоду. Используется для построения выпрямителей, обозначения на схеме на рис. 4.1. Физически состоит из pn перехода, то есть двух зон с различными типами проводимости.

Рис. 4.1 – Обозначение диода и его изображение в Electronics lab.

Для индикации используют светодиоды, излучающие свет при пропускании через них электрического тока.

Рис. 4.2 – Обозначение светодиода и его изображение в Electronics lab.

Транзистор-полупроводниковый элемент, который позволяет управлять током протекающим через него. Транзистор – базовый компонент логических и усилительных схем. По строению и принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые.
Далее рассмотрим биполярные транзисторы, состоящие из двух pn переходов. По типу проводимости они делятся на: npn (рис. 5.1а) и pnp (рис 5.1б). На рисунке также указаны названия терминалов прибора – К – коллектор, Б – база, Э – эмиттером.

Рис. 5.1 – Обозначения транзисторов и их изображение в Electronics lab.

Рассмотрим функцию вывода в среде Arduino. Вывод делится на три этапа:
1) Объявление переменной
2) Инициализация пина, как вывода
3) Вывод
Для наглядности приведем пример – тестовую программу, контролирует включение светодиода:

Функции ввода подобные вывода, также делится на три этапа:
1) Объявление переменной
2) Инициализация пина, как вход
3) Ввод
Для наглядности приведем пример – тестовую программу, которая управляет включением светодиода при нажатии на кнопку:

1) Подключения светодиодного индикатора

Для начала вспомним как собрать схему со светодиодной индикацией и разсмотрим ее принципиальную схему, так как она значительно проще, чем транзисторный ключ. Она приведена на рисунке 6.1.

Рис. 6.1 – Подключение светодиода

Рис. 6.2 Вышеупомянутая схема в сборе, на макетной плате, подключенная к плате Arduino

2) Транзисторные ключи

В этом курсе лабораторных работ транзисторы будут, в основном, использоваться для построения транзисторных ключей.
Схемы ключей на основе pnp (а) и npn (б) транзисторов приведены на рисунке 7.1.

Рис. 7.1 – Схемы транзисторных ключей

Приведенная выше схема будет включать диод при подаче определенного сигнала на базу транзистора. Для pnp транзистора это будет логический ноль, для npn – единица. Таким образом, подключив базу транзистора к одному из выводов платы Arduino можно управлять напряжением протекающим через устройство. Обычно это полезно в случае, когда необходимо управлять напряжением значительно выше того, что может обеспечить микроконтроллер. Например, в схемах управления электродвигателями.

Раcсмотрим на примере NPN транзистора подключение в Electronics lab.

Рис. 7.2 – Подключение транзисторного ключа NPN-типа

3) Подключение кнопки

.Подключение кнопки для ввода данных выполняется по схеме на рисунке 8.1. Резисторы R6, R7 – «подтягивающие», используются для обеспечения стабильного логического уровня. Таким образом исключается наличие шумов, возникающих при наличии разрыва в схеме. На рисунке а) приведена обратная схема принимающая значение низкого логического уровня сигнала при нажатии на кнопку. На рисунке б) прямая схема – при нажатии получим высокий логический уровень.

Рис. 8.1 – Подключение кнопки

Раcсмотрим на примере подключения прямой схемы в Electronics lab.

Рис. 8.2 – Подключение кнопки в Electronics lab

Если мы напишем программу которая считывает значение пина 2, то при нажатии на кнопку считаное значение будет HIGH. Можно взять программу с пункта «функции ввода», в этой программе переменную val вывести на пин 13. В этом случае при нажатии на кнопку вы увидите как на плате Arduino засветится светодиод который заведен (внутренне) на 13 вывод.

Рис. 8.3 – LED, 13 пин

Задача:
1. Используя светодиоды и транзисторы реализовать на макетной плате следующие схемы:
a. Включение светодиода с разным временем задержки.
b. Включение светодиода с помощью ключа на транзисторе pnp типа.
c. Включение светодиода с помощью ключа на транзисторе npn типа.
2. Используя светодиоды, транзисторы и кнопки реализовать на макетной плате следующие схемы:
a. Включение светодиода по нажатию на кнопку, с помощью ключа на транзисторе pnp типа.
b. Включение светодиода по нажатию на кнопку, с помощью ключа на транзисторе npn типа.
Все схемы подключить собираются в Electronics lab. Обеспечить функционирование написанием соответствующего программного кода на языке программирования С + +.

Силовой ключ N-Channel v3 (Troyka-модуль)

  • Офис находится в 5 минутах ходьбы от м. Таганская, по адресу Большой Дровяной переулок, дом 6.
  • При оформлении до 15:00 в будний день заказ можно забрать после 17:00 в тот же день, иначе — на следующий будний день после 17:00. Мы позвоним и подтвердим готовность заказа.
  • Получить заказ можно с 10:00 до 21:00 без выходных после его готовности. Заказ будет ждать вас 3 рабочих дня. Если хотите продлить срок хранения, просто напишите или позвоните.
  • Запишите номер своего заказа перед визитом. Он необходим при получении.
  • Чтобы к нам пройти, предъявите на проходной паспорт, скажите, что вы в Амперку, и поднимитесь на лифте на 3-й этаж.
  • Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
  • бесплатно

Доставка курьером по Москве

  • Доставляем на следующий день при заказе до 20:00, иначе — через день.
  • Курьеры работают с понедельника по субботу, с 10:00 до 22:00.
  • При согласовании заказа можно выбрать трёхчасовой интервал доставки (самое раннее — с 12:00 до 15:00).
  • Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
  • бесплатно

Доставка в пункт самовывоза

  • Доставка в пункт самовывоза — современный, удобный и быстрый способ получить свой заказ без звонков и ловли курьеров.
  • Пункт самовывоза — это киоск с человеком или массив железных ящичков. Их ставят в супермаркетах, офисных центрах и других популярных местах. Ваш заказ окажется в том пункте, который выберите.
  • Ближайший к себе пункт вы можете найти на карте PickPoint.
  • Срок доставки — от 1 до 8 дней в зависимости от города. Например, в Москве это 1–2 дня; в Петербурге — 2—3 дня.
  • Когда заказ прибудет в пункт выдачи, вы получите SMS с кодом для его получения.
  • В любое удобное время в течение трёх дней вы можете прийти в пункт и с помощью кода из SMS получить заказ.
  • Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
  • Стоимость доставки — от 240 руб в зависимости от города и габаритов заказа. Она рассчитывается автоматически во время оформления заказа.
  • Доставляем через день при заказе до 20:00, иначе — через два дня.
  • Курьеры работают с понедельника по субботу, с 11:00 до 22:00.
  • При согласовании заказа можно выбрать трёхчасовой интервал доставки (самое раннее — с 12:00 до 15:00).
  • Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
  • 350 ₽

Доставка в пункт самовывоза

  • Доставка в пункт самовывоза — современный, удобный и быстрый способ получить свой заказ без звонков и ловли курьеров.
  • Пункт самовывоза — это киоск с человеком или массив железных ящичков. Их ставят в супермаркетах, офисных центрах и других популярных местах. Ваш заказ окажется в том пункте, который выберите.
  • Ближайший к себе пункт вы можете найти на карте PickPoint.
  • Срок доставки — от 1 до 8 дней в зависимости от города. Например, в Москве это 1–2 дня; в Петербурге — 2—3 дня.
  • Когда заказ прибудет в пункт выдачи, вы получите SMS с кодом для его получения.
  • В любое удобное время в течение трёх дней вы можете прийти в пункт и с помощью кода из SMS получить заказ.
  • Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
  • Стоимость доставки — от 240 руб в зависимости от города и габаритов заказа. Она рассчитывается автоматически во время оформления заказа.
  • Доставка в пункт самовывоза — современный, удобный и быстрый способ получить свой заказ без звонков и ловли курьеров.
  • Пункт самовывоза — это киоск с человеком или массив железных ящичков. Их ставят в супермаркетах, офисных центрах и других популярных местах. Ваш заказ окажется в том пункте, который выберите.
  • Ближайший к себе пункт вы можете найти на карте PickPoint.
  • Срок доставки — от 1 до 8 дней в зависимости от города. Например, в Москве это 1–2 дня; в Петербурге — 2—3 дня.
  • Когда заказ прибудет в пункт выдачи, вы получите SMS с кодом для его получения.
  • В любое удобное время в течение трёх дней вы можете прийти в пункт и с помощью кода из SMS получить заказ.
  • Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
  • Стоимость доставки — от 240 руб в зависимости от города и габаритов заказа. Она рассчитывается автоматически во время оформления заказа.
  • Доставка осуществляется до ближайшего почтового отделения в любом населённом пункте России.
  • Тариф и сроки доставки диктует «Почта России». В среднем, время ожидания составляет 2 недели.
  • Мы передаём заказ Почте России в течение двух рабочих дней.
  • Оплатить заказ можно наличными при получении (наложенный платёж) или же онлайн при оформлении заказа.
  • Стоимость рассчитывается автоматически во время заказа и в среднем должна составить около 400 рублей.
  • Служба «EMS Почта России» работает быстрее и надёжнее обычной почты и доставляет до двери покупателя.
  • Тариф и сроки доставки диктует служба EMS. В среднем по России время ожидания составляет 4–5 дней.
  • Мы передаём заказ в EMS в течение двух рабочих дней.
  • Оплатить заказ можно только онлайн при оформлении заказа.
  • Стоимость рассчитывается автоматически во время оформления заказа и в среднем должна составить 400–800 рублей для России и 1500–2000 рублей для стран СНГ.
  • Служба «EMS Почта России» работает быстрее и надёжнее обычной почты и доставляет до двери покупателя.
  • Тариф и сроки доставки диктует служба EMS. В среднем по России время ожидания составляет 4–5 дней.
  • Мы передаём заказ в EMS в течение двух рабочих дней.
  • Оплатить заказ можно только онлайн при оформлении заказа.
  • Стоимость рассчитывается автоматически во время оформления заказа и в среднем должна составить 400–800 рублей для России и 1500–2000 рублей для стран СНГ.
Читайте также:  Как рассчитать мощность силового трансформатора по нагрузке?

Товары из офиса нельзя заказать через интернет или забронировать. Можно только прийти, схватить и бежать. Доступное количество актуально на момент загрузки страницы.

Офис находится в 5 минутах ходьбы от м. Таганская, по адресу Большой Дровяной переулок, дом 6.

Товары из магазина-мастерской нельзя заказать через интернет или забронировать. Можно только прийти, схватить и бежать. Доступное количество актуально на момент загрузки страницы.

Магазин-мастерская находится в трёх минутах пешком от метро Лиговский Проспект, на территории пространства «Лофт Проект Этажи», по адресу Лиговский проспект 74Д.

Силовой ключ на базе полевого транзистора с каналом N-типа подойдёт для коммутации цепей с большим постоянным током. Модуль пригодится для управления светодиодными лентами, погружной помпой в системе автополива, соленоидами или электродвигателями. N-channel MOSFET позволит вам не возиться с пайкой, макетной платой и необходимой обвязкой для работы полевого транзистора — всё уже собрано в виде готового Troyka-модуля.

У транзисторного ключа есть важное преимущество перед обыкновенным реле: вы сможете плавно управлять нагрузкой (яркостью светодиодов, скоростью электродвигателя и т. п.) с помощью ШИМ, а не просто включать-выключать питание.

Отличия N- и P-канальных силовых ключей

Силовые ключи на полевых транзисторах с переходом N- и P-типа решают похожие задачи, но у них отличается принцип управления нагрузкой.

  • Силовой ключ на N-канальном транзисторе переключает минусовой контакт нагрузки, а для управления достаточно напряжения ТТЛ-схем. Этот вариант наиболее часто используется с Arduino и другими микроконтроллерами.
  • В случае с P-канальным транзистором переключается плюсовой контакт нагрузки, но для управления нужны более высокие уровни напряжения. Поэтому мы выпускаем силовой ключ P-типа в виде Troyka-модуля, заточенного для Arduino, Raspberry Pi и других управляющих платформ.

Начинка и управление

Данный силовой ключ содержит полевой транзистор с N-каналом, который переключает плюсовой контакт нагрузки. Он управляется напряжением логического уровня 3,3–5 В и совместим с любым контроллером.

При логическом нуле на управляющем контакте ключ разомкнут. При подаче логической единицы ключ замыкается, и через транзистор начитает протекать ток. На модуле силового ключа присутствует светодиод для индикации состояния: он горит при открытом транзисторе и гаснет при закрытом. При использовании ШИМ-сигнала яркость светодиода пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ.

Подключение

Модуль подключается у управляющей платформе через группу Troyka-контактов.

  • Сигнальный (S) — управляющий контакт силового ключа, подключаемый к цифровому пину микроконтроллера.
  • Питание (V) — соединяется с рабочим напряжением контроллера.
  • Земля (G) — соединяется с землёй микроконтроллера.

Для подключения к Arduino пригодится Troyka Shield и приложенный в комплекте трёхпроводной шлейф. Чтобы вовсе избавиться от проводов, воспользуйтесь Troyka Slot Shield. А для управления ключом с микрокомпьютера Raspberry Pi используйте Troyka Cap.

Контакты нагрузки подключаются к колодкам под винт L+ и L- с соблюдением полярности. Источник питания нагрузки подключается к колодкам под винт P+ и P-.

Обратите внимание, что контакты L+ и P+ на модуле объединены, а силовой ключ коммутирует контакты L- и P-.

Электронные ключевые схемы на диодах и транзисторах

Диодные и транзисторные ключевые схемы (ключи) являются важ­нейшими элементами импульсных схем и логических элементов. Основ­ное назначение электронных ключей состоит в коммутации (замыкании и размыкании) электрических цепей под воздействием управляющих сигналов. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «Вклю­чено» и «Отключено». На рис. 19.25, а, б, в показаны принципиальная схема и временные диаграммы идеального ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях соответственно. Если ключ разомкнут, то i = 0, а uвых = Е (рис. 19.25,б). Если же ключ замкнут, то i = Е/r, uвых =0 (рис. 19.25, в). В реальных ключевых схемах токи и уровни выходного напряжения зависят от типа и параметров применяемых диодов и транзисторов.

Совершенство и качество электронного ключа характеризуются тремя основными параметрами: временем переключения tпep, т. е. временем перехода из одного состояния в другое; током через ключ в разомкнутом состоянии ip; падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии uзамк. Совершенство ключа будет тем выше, чем меньше tпep, iр, uзамк. Так как ключ имеет два устойчивых состояния, то в разомкнутом состоянии электрическое сопротивление ключа очень велико (стремится к бесконечности); при замкнутом состоянии ключа сопротивление его практически равно нулю. Быстродействие ключа характеризуется ско­ростью перехода ключа из одного устойчивого состояния в другое.

Диодные ключи. На рис. 19.26 приведена схема последовательного диодного ключа. При положительном входном напряжении uвх диод открыт и через него протекает ток i = uвх(Rпр + R), где Rпр — прямое сопротивление диода. В этом случае выходное напряжение uвых = Ri = Ruвх/(Rпp + R). Как правило, Rпp > R и uвых ≈ Ruвх/Ro6p Eк диод открыт и uвых ≈ uвх, а при uвх

При выполнении условия Rпp/R Ек диод закрывается и выходное напряже­ние почти повторяет входное. Уровень ограничения в диодном парал­лельном ключе определяется, как в предыдущем случае, напряжением Eк. Время переключения диодных ключей tпep, определяющее их быстро­действие, зависит от паразитных емкостей p-n-перехода и емкостей монтажа, а также от времени выключения диода tвыкл, определяемого временем рекомбинации носителей заряда.

Транзисторные ключи. Режим работы транзистора, при котором он находится в установившемся состоянии либо в области отсечки, либо в области насыщения, называется ключевым. Качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкну­том состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое. В зависимости от назна­чения транзисторного ключа и режимов его работы схема ключа видо­изменяется.

Некоторые типы транзисторных ключей имеют самостоятельное назначение и применяются в качестве бесконтактных прерывателей. Транзисторный ключ является основным элементом более сложных импульсных устройств регенеративного типа. Например, два транзистор­ных ключа, охваченных положительной обратной связью, образуют мультивибратор или триггер. В ключевых устройствах транзистор, как правило, включается по схеме с общим эмиттером (рис. 19.30, а), так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно не­большую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свой­ства за счет значительного коэффициента передачи по напряжению (Кu >> 1).

Выходные характеристики транзисторного ключа показаны на рис. 19.30, б. Для того чтобы в отсутствие управляющего импульса напря­жения транзистор надежно находился в отключенном состоянии (режим отсечки), между базой и эмиттером включают специальный источник питания EБ. Выключенное состояние транзистора р-n-р-типа обеспечи­вается подачей на базу положительного запирающего напряжения от этого источника. В этом случае коллекторный ток транзистора минимален и равен обратному току коллекторного перехода IКо. Ток IКо образуется неосновными носителями заряда. Напряжение на коллекторе транзистора UКЭ = EK – IKRK, т. е. оно несколько меньше напряжения источника питания. Рабочая точка А (рис. 19.30, б) пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей току базы iБ = – IKо, является точкой отсечки и соответствует закрытому состоянию транзистора. В режиме отсечки по цепи +EБ, RБ, коллекторный переход Т, RK, – EK, 0, – EБ протекает обратный ток. Для обеспечения надежности режима отсечки необходимо, чтобы соблюдалось неравенство

(19.15)

где IKomax – максимальный обратный ток коллекторного перехода при наибольшей допустимой температуре окружающей среды. Область отсечки на выходных характеристиках транзистора заштрихована и обозначена I.

Для перевода транзистора в режим насыщения (заштрихованная область II на рис. 19.30, б), т. е. в режим, когда транзистор р-n-р-типа открыт, подают импульс такого входного напряжения и такой поляр­ности, при которых отрицательный потенциал был бы на базе (точка F на рис. 19.30, а), а положительный — на общем выводе 1′-2′. Амплитуда подаваемого импульса должна быть такой, чтобы транзистор был пол­ностью открыт и через него протекал достаточный ток базы (рабочая точка В на рис. 19.30, б). В режиме насыщения напряжение на транзисторе (на выходе ключа) разно UKЭнac, значение которого зависит от тока базы транзистора. Таким образом, в режиме насыщения через транзистор про­текает ток насыщения цепи коллектора IКнас, представляющий собой максимальный ток через нагрузку RH, который может проходить при данных значениях напряжения источника питания цепи коллектора Eк и сопротивления нагрузки RH: IKнас ≈ EK/RH. Когда транзистор находится в насыщенном состоянии, за счет инжекции носителей в базу в ней происходит накапливание избыточных неосновных носителей (дырок в транзисторе р-n-р-типа). Из-за этого выключение транзистора не может произойти сразу, так как требуется определенное время на рассасы­вание этих носителей в базе, что снижает быстродействие отключения транзисторного ключа. Итак, биполярный транзистор нельзя считать безынерционным прибором.

При переходе транзистора из режима отсечки в режим насыщения на выходе ключа (точка 2-2′) создается перепад напряжения uвых ≈ UКЭотс – UКЭнас ≈ EK – IKoRK – IКЭнас ≈ ЕK, так как IKoRK и UКЭнас практи­чески очень малы. Время выключения значительно больше, чем время включения, и составляет сотни наносекунд — единицы микросекунд. Время выключения тем больше, чем глубже насыщение. Однако при глубоком насыщении уменьшается время включения, поэтому для увеличения быстродействия импульсных схем следует избегать глубо­кого насыщения транзистора, для чего в цепь базы включают соответ­ствующий ограничивающий резистор.

Иногда для ускорения выключения транзистора к его коллектору подключают полупроводниковый диод, отпирающийся при насыще­нии транзистора и ограничивающий глубину насыщения. Следует от­метить, что если транзистор работает в ключевом режиме, то его выводы коллектор — эмиттер можно использовать в качестве бесконтактного выключателя.

1. Назовите основные характеристики импульсного режима работы формирующих устройств.

2. Сравните электрические схемы простейшей интегрирующей и дифференцирующей цепи.

3. Какова форма выходного сигнала простейшей интегрирующей цепи?

4. Какие элементы и приборы используются в линиях задержки?

5. Какие устройства называются линейными формирующими цепями?

6. Назовите основные достоинства и недостатки ограничителей на полупроводниковых диодах и активного ограничи­вающего прибора.

7. Назовите основные характеристики, определяющие качество электронных ключевых схем на диодах и транзисторах.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector