Режим ключа для транзистора

1 Транзисторные ключи

1.1 Теоретические сведения и расчетные соотношения

Транзисторные ключи служат для коммутации цепей нагрузки под воз­действием управляющих сигналов. В отличие от диодов транзисторы облада­ют усилительными свойствами и поэтому способны коммутировать достаточ­но большие напряжения и токи малыми входными, не допускают затухания сигнала при последовательном включении нескольких ключей, с их помощью можно строить схемы с положительными обратными связями, обладающие регенеративными свойствами.

Наиболее широко распространены транзисторные ключи на биполяр­ных транзисторах при включении с общим эмиттером (рисунок 1.1). В соответ­ствии с функциями ключа транзистор может находиться в режиме отсечки и режиме насыщения. Активный режим работы имеет место при переходе из одного статического режима в другой.

Условием режима отсечки является обратное смещение эмиттерного пере­хода транзистора

На режим отсечки оказывает влияние обратный ток коллекторного пере­хода, который при закороченном эмиттерном переходе достигает значения 2IK, а при обратносмещенном переходе равен IK.

У германиевых транзисторов обратный ток IK на несколько порядков больше, чем у кремниевых. Поэтому условия отсечки в транзисторных ключах на герма­ниевых и кремниевых транзисторах несколько различны.

В ключах на кремниевых транзисторах (рисунок 1.1, а) из-за того, что Uпор ≈ 0,6В, источник смещения для запирания транзистора не используют. Напряжение на базе транзистора в таких ключах

где U или U — напряжение логического нуля на входе ключа, определяемое низ­ким уровнем входного напряжения, которое, как правило, снимается с дру­гого аналогичного ключа и не равно нулю.

В ключах на германиевых транзисторах, у которых Uпор ≈0, для на­дежного запирания транзистора применяют дополнительный источник сме­щения Есм (см. рисунок 1.1, б). В этом случае напряжение на базе транзистора равно

(1.3)

Так как uБ должно быть больше нуля, то условие (1.1) для ключей на германиевых транзисторах можно записать

Ток IK сильно зависит от температуры и для германиевых транзисто­ров практически удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С:

, (1.5)

Протекание тока IK через RK приводит к уменьшению выходного напря­жения, которое для режима отсечки можно записать

Для получения режима насыщения на вход ключа необходимо подать отпирающее напряжение, обеспечивающее базовый ток, больший тока базы насыщения IБн. Этот ток определяется через ток коллектора насыщения

(1.7)

где U 1 — входное отпирающее напряжение, соответствующее напряжению логической единицы.

Аналогично для схемы рисунок 1.1, а

(1.8)

Напряжение на коллекторе в режиме насыщения определяется остаточным напряжением uКЭ = U.

При воздействии на вход управляющих прямоугольных импульсов транзи­стор переключается не мгновенно, а за конечные промежутки времени, опре­деляемые длительностью переходных процессов, которые состоят из задержки включения t3, обусловленной перезарядом входной емкости СВХ от напряже­ния запирания UБЗ до напряжения UПОР; длительности формирования переднего фронта tФ + , обусловленной инерционными процессами изменения концен­трации носителей в базе и изменениями заряда барьерной емкости коллекторного перехода; времени рассасывания tРАС избыточного объемного заряда и длитель­ности формирования заднего фронта tФ, обусловленной инерционным характером уменьшения заряда в базе.

Временные параметры переключения оп­ределяются соотношениями:

, (1.9)

, (1.10)

где — эквивалентная постоянная времени,

— постоян­ная времени транзистора.

(1.11)

где — ток выключения транзистора;

для схемы рисунок 1.1, а;

для схемы рисунок 1.1,б.

Для уменьшения времени переходных процессов транзисторы включают и выключают форсированно током, существенно большим IБН, а в стати­ческом режиме не допускают глубокого насыщения. Для этого применяют форсирующие емкости, фиксацию коллекторного потенциала и нелинейную обратную связь, вводимую с помощью импульсного диода или диода Шоттки (см. соответственно рисунок 1.2, ав).

Вам понравится:  Схема подключения турбины вольво хс90

В интегральной микросхемотехнике находят широкое применение клю­чи на МДП (МОП) транзисторах с управляющим р-п переходом (рисунок 1.3) и с индуцированным каналом (рисунок 1.4). Последние наиболее широко использу­ются в импульсных схемах и делятся на ключи с резистивной нагрузкой (рисунок 1.4, а), с динамической (транзисторной) нагрузкой (рисунок 1.4, б) и комплементарные (КМОП) ключи, называемые также ключами на дополняющих транзисторах (МДПДТ) (рисунок 1.4, в). Эти ключи имеют очень высокое вход­ное сопротивление и относительно меньший ток нагрузки.

Быстродействие ключей на МОП- транзисторах также меньше, чем на биполярных транзисторах, из-за невозможности быстрой перезарядки пара­зитных емкостей малым токами. Основным путем увеличения быстродейст­вия таких ключей является уменьшение емкости СВЫХ ключа.

Дополнительные теоретические сведения и расчетные соотношения при­ведены в работах [3, 6, 17, 21].

Источник

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте, сегодня продолжаем активно погружаться в нюансы работы транзисторов и переходим к практическому рассмотрению одной из схем — ключа на биполярном транзисторе.

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний — открытом (включенном) или закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Приступаем к детальному разбору.

И первым делом рассмотрим непосредственно саму схему:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора. Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером. И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора ( R_б и R_к ). Вот с них и начнем.

Зачем нужен резистор в цепи базы?

Итак, нам нужно подать на переход база-эмиттер напряжение прямого смещения. Его величина указывается среди параметров конкретного транзистора и обычно составляет в районе 0.6 В. Также мы знаем, какой управляющий сигнал мы будем подавать на вход для того, чтобы открыть транзистор. Например, при использовании микроконтроллера (возьмем STM32 к примеру) для управления ключом, на входе цепи у нас будет либо 0 В (транзистор в данном случае закрыт), либо 3.3 В (транзистор открыт). В данной схеме сигнал на вход подается не с контроллера, а напрямую с источника напряжения E_ <вх>при замыкании переключателя S_1 .

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы — а как его менять? Верно — изменяя сопротивление этого самого резистора. То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Вам понравится:  Расстояние между розеток для смесителя

Мы уже несколько раз использовали термины «транзистор открыт» и «закрыт». Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

  • для того, чтобы закрыть транзистор, мы стремимся перевести его в режим отсечки
  • а чтобы открыть — в режим насыщения

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе.

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_ <вых>. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали:

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к ). Для коллекторной цепи мы можем записать:

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор — линейный элемент ( U_R = I_R R ), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют — нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_ <кэ>и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может.

И по итогу нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1. В данном случае падение напряжения U_ <кэ>на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов.

Расчет ключа на биполярном транзисторе.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В ( U_д ). При этом диод будет потреблять ток, равный 50 мА ( I_д ). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

  • Коэффициент усиления по току h_ <21э>= 100. 500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
  • Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_ <бэ>= 0.6 \medspace В .
  • Напряжение насыщения: U_ <кэ \medspace нас>= 0.1 \medspace В .

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_ <21э>, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру. Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

  • E_ <вх>= 3.3\medspace В . Я выбрал типовое значение, которое встречается на практике при разработке схем на контроллерах. В этом примере подача и отключение этого напряжения осуществляется переключателем S_1 .
  • E_ <вых>= 9\medspace В .

Первым делом нам необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора. Напряжения и ток выходной цепи во включенном состоянии связаны следующим образом:

При этом по закону Ома напряжение на резисторе R_ <к>:

А ток у нас задан, поскольку мы знаем, какой ток потребляет нагрузка (в данном случае диод) во включенном состоянии. Тогда:

Итак, в этой формуле нам известно все, кроме сопротивления, которое и требуется определить:

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_ <к>= 120\medspace Ом . Причем важно выбирать именно большее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять меньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже.

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

Пришло время определить ток базы, для этого используем минимальное значение коэффициента усиления:

А падение напряжения на резисторе R_б :

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, меньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии большая часть напряжения упадет на транзисторе ( U_ <кэ>), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним 👍 Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

  • R_ <б>= 5.1\medspace КОм
  • R_ <к>= 120\medspace Ом

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттера. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть — от теории к практике. Надеюсь, что материал был понятен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, будем разбираться.

Источник

Поделиться с друзьями
Радиолюбительские схемы
Adblock
detector