Транзисторный ключ




Транзисторный ключ являются основным компонентом в импульсной преобразовательной технике. В схемах всех импульсных источников питания, которые практически полностью вытеснили трансформаторные источники питания, применяются транзисторные ключи. Примером таких источников питания являются компьютерные блоки питания, зарядные устройства телефонов, ноутбуков, планшетов и т. п. Транзисторные ключи пришли на смену электромагнитных реле, поскольку обладают таким основным преимуществом как отсутствие механических подвижных частей в результате чего увеличивается надежность и долговечность ключа. Кроме того скорость включения и выключения электронных полупроводниковых ключей значительно выше скорости электромагнитных реле.

Также транзисторный ключ часто используется для включения-выключения (коммутации) нагрузки значительной мощности по сигналу микроконтроллера.

Суть электронного ключа заключается в управлении им большой мощностью по сигналу малой мощности.
Существуют полупроводниковые ключи на базе транзисторов, тиристоров, симисторов. Однако в данной статье рассмотрена работа электронного ключа на биполярном транзисторе. В последующих статьях будут рассмотрены и другие типы полупроводниковых ключей.

В зависимости от полупроводниковой структуры биполярные транзисторы разделяют на два вида: pnp и npn типа (рис. 1).
npn и pnp транзисторы
Рис. 1 – Структуры биполярных транзисторов

В схемах биполярные транзисторы обозначаются, как показано на рис. 2. Средний вывод называется базой, вывод со “стрелочкой” – эмиттер, оставшийся вывод – коллектор.

Обозначение транзисторов
Рис. 2 – Обозначение  транзисторов в схемах

Также транзисторы условно можно изобразить в виде двух диодов, которые включены встречно, место соединения их всегда будет базой (рис.3).

Схемы замещения транзисторов диодами

Рис. 3 – Схемы замещения транзисторов диодами

Транзисторный ключ. Схемы включения

Схемы включения транзисторов разных полупроводниковых структур показаны на рис. 4. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерный переход, а переход между базой и коллектором – коллекторный переход. Для включения (открытия) транзистора необходимо чтобы коллекторный переход был смещен в обратном направлении, а эмиттер – в прямом.

Транзисторный ключ. Схема включения
Рис. 4 – Транзисторный ключ. Схемы включения

Напряжение источника питания Uип прикладывается к выводам коллектора и эмиттера Uкэ через нагрузочный резистор Rк (см. рис. 4). Напряжение управления (управляющий сигнал) подается между базой и эмиттером Uбэ через токоограничивающий резистор Rб.



Когда транзистор работает в ключевом режиме он может находиться в двух состояниях. Первое – это режим отсечки. В это режиме транзистор полностью закрыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно напряжению источника питания. Второе состояние – это режим насыщения. В этом режиме транзистор полностью открыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно падению напряжения на pn – переходах и для различных транзисторов находится в пределах от сотых до десятых вольта.

На нагрузочной прямой входной статической характеристики транзистора (рис. 5) область насыщения находится на отрезке 1-2, а область отсечки на отрезке 3-4. Промежуточная область между этими отрезками – область 2-3 называется активной областью. Ею руководствуются когда транзистор работает в режиме усилителя.

Характеристика биполярного транзистора
Рис. 5 – Входная статическая характеристика транзистора

Для того, чтобы проще запомнить полярность подключения источника питания и напряжения сигнала управления следует обратить внимание на стрелку эмиттера. Она указывает направление протекания тока (рис.6).

Путь протекания тока через транзисторный ключ
Рис. 6 – Путь протекания тока через транзисторный ключ

Расчет параметров транзисторного ключа

Для примера работы ключа в качестве нагрузки будем использовать светодиод. Схема его подключения показана на рис. 7. Обратите внимание на полярность подключения источников питания и светодиода в транзисторах разных полупроводниковых структур.

Схемы подключения светодиода к транзисторным ключам
Рис. 7 – Схемы подключения светодиода к транзисторным ключам

Рассчитаем основные параметры транзисторного ключа, выполненного на транзисторе npn типа. Пусть имеем следующие исходные данные:
— падение напряжения на светодиоде ΔUVD = 2 В;
— номинальный ток светодиода IVD = 10 мА;
— напряжение источника питания Uип (на схеме обозначено Uкэ) = 9 В;
— напряжение входного сигнала Uвс = 1,6 В.

Теперь взглянем еще раз на схему, показанную на рис. 7. Как мы видим, осталось определить сопротивления резисторов в цепи базы и коллектора. Транзистор можно выбрать любой биполярный соответствующей полупроводниковой структуры. Возьмем для примера советский транзистор npn типа МП111Б.

Расчет сопротивления в цепи коллектора транзистора

Сопротивление в цепи коллектора предназначено для ограничения тока, который протекает через светодиод VD, а также для защиты от перегрузки самого транзистора. Поскольку, когда транзистор откроется, ток в его цепи будет ограничиваться только сопротивлением светодиода VD и резистора Rк.

Определим сопротивление Rк. Оно равно падению напряжения на нем ΔURк деленному на ток в цепи коллектора Iк:
Формула сопротивления резистора в цепи коллектора
Так коллектора нами задан изначально, – это номинальный ток светодиода. Он не должен превышать Iк=10мА.

Теперь найдем падение напряжения на резисторе Rк. Оно равно напряжению источник питания Uип (Uкэ) минус падение напряжения на светодиоде ΔUVD и минус падение напряжения на транзисторе ΔUкэ:
Формула падения напряжения на сопротивлении в цепи коллектора
Падение напряжение на светодиоде, как и напряжение источника питания изначально заданы и равны 0,2В и 9В соответственно. Падение напряжения для транзистора МП111Б, как и для других советских транзисторов, принимаем равным порядка 0,2 В. Для современный транзисторов (например BC547, BC549, N2222 и других) падение напряжение составляет порядка 0,05 В и ниже.

Падение напряжения на транзисторе можно измерить, когда он полностью открыт, между выводами коллектора и эмиттера и в дальнейшем скорректировать расчет. Но, как мы увидим дальше, сопротивление коллектора можно подобрать более простым методом.
Расчет падения напряжения в цепи коллектора
Сопротивление в цепи коллектора равно:
Определение сопротивления в цепи коллектора

Расчет сопротивления в цепи базы транзистора

Теперь нам осталось определить сопротивление базы Rб. Оно равно падению напряжения на самом сопротивлении ΔURб деленному на ток базы Iб:
Формула сопротивления резистора в цепи базы транзистора
Падение напряжения на базе транзистора равно напряжению входного сигнала Uвс минус падение напряжения на переходе база-эмиттер ΔUбэ. Напряжение входного сигнала задано в исходных данных и равно 1,6 В. Падение напряжения между базой и эмиттером равно порядка 0,6 В.
Формула падения напряжения на резисторе в цепи базы транзистора
Далее найдем ток базы . Он равен току коллектора деленному на коэффициент усиления транзистора по току β. Коэффициент усиления для каждого транзистора приводится в даташитах или в справочниках. Еще проще узнать значение β можно воспользовавшись мультиметром. Даже самый простой мультиметр имеет такую функцию. Для данного транзистора β=30. У современных транзисторов β равен порядка 300…600 единиц.
Формула коэффициента усиления транзистора по току
Теперь мы можем найти необходимое сопротивление базы.
Определение сопротивления в цепи базы транзистора
Таким образом, воспользовавшись выше изложенной методикой, можно легко определить необходимые номиналы резисторов в цепи базы и коллектора. Однако нужно помнить, что расчетные данные не всегда позволяют точно определить номиналы резисторов. Поэтому более тонкую настройку ключа лучше выполнять опытный путем, а расчеты необходимы лишь для первичной прикидкы, то есть помогают сузить диапазон выбора номиналов резисторов.

Чтобы определить номиналы резисторов нужно последовательно с резисторами базы и коллектора включить переменный резистор и изменяя его величину получить необходимые значения токов базы и коллектора (рис. 8).

Схема включения переменного резистора в цепь транзистора

Рис. 8 – Схема включения переменных резисторов

Рекомендации по выбору транзисторов для электронных ключей

  1. Номинальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое указывается производителем, должно быть выше напряжения источника питания.
  2. Номинальный ток коллектора, который также указывается производителем, должен быть больше тока нагрузки.
  3. Необходимо следить за тем, чтобы ток и напряжение базы транзистора не превышали допустимых значений.
  4. Также напряжение на базе в режиме насыщения не должно быть ниже минимально значения, иначе транзисторный ключ будет работать нестабильно.

Вернуться на главную страницу

Добавить комментарий

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