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).

Типы полупроводниковых структур биполярных транзисторов

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

Обозначение биполярных транзисторов в схемах

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

Схема замещения транзистора диодами

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

Схема включения транзисторов

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.

Схема транзисторного ключа

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.

Входная статическая характеристика биполярного транзистора

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.

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе

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.

Исходные данные для расчета транзисторного ключа

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:

Формула сопротивления резистора коллектора

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

Падение напряжения на сопротивлении коллектора

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:

Расчет падения напряжения на резисторе коллектора

Находим сопротивление RК:

Расчет сопротивления коллекторного резистора

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:

Ток светодиода в цепи коллектора

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы RБ:

Расчет сопротивления в цепи базы транзистора

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

Падение напряжения на резисторе базы транзистора

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

Расчет падения напряжения на сопротивлении резистора базы транзистора

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.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора 2222A

Расчет сопротивления резистора базы транзистора

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.

Транзисторный ключ | Схема транзисторного ключа

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.

Комментировать

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *