Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

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.

Статический режим.

В статическом режиме ключ может быть закрыт  (транзистор находится в режиме отсечки) либо открыт (транзистор находится в режиме насыщения). Ключ закрыт, когда напряжение на входе меньше напряжения логического нуля . Для кремниевого транзистора оно составляет  0.4–0.5 В.
Если входное напряжение равно нулю, транзистор находится в состоянии отсечки. В этом режиме , . Сопротивление закрытого ключа составляет сотни кОм.
Если на входе действует импульс напряжения такой величины, чтобы  транзистор находился в режиме насыщения, то ток базы

.

В режиме насыщения оба  перехода смещены в прямом направлении и ток коллектора возрастает до наибольшего значения:

.

Напряжение  в режиме насыщения составляет 0.2–0.3 В, а выходное сопротивление – несколько десятков ом. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы стал больше минимального значения, при котором начинается насыщение транзистора:

 .

Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом (степенью) насыщения, который определяет, во сколько раз реальный ток базы  превосходит минимальное значение, при котором имеет место режим насыщения:

.

Величину коэффициента насыщения выбирают от 1.5 до 3.
Транзистор должен входить в режим насыщения, когда входное напряжение превышает напряжение логической единицы . Для ключей на биполярных транзисторах .
Основной статической характеристикой транзисторного ключа служит передаточная характеристика – зависимость его выходного напряжения от входного. Она приведена на рис. 8.1.4. Рабочими являются участки переходной характеристики, соответствующие отсечке и насыщению.

Рис. 8.1.4

Пример расчета инвертора на БТ.  Рассчитать сопротивление в цепи базы транзисторного ключа на рис. 8.1.3, при котором транзистор находится в состоянии насыщения. Значения элементов:, , , . Коэффициент насыщения .Решение.  Поскольку транзистор находится в состоянии насыщения, . Ток коллектора

.

Минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в насыщение,

.

Сопротивление резистора в цепи базы, обеспечивающее коэффициент насыщения ,

.

Перевод двоичного кода десятичного числа в код семисегментного индикатора

Давайте еще раз посмотрим на схему подключения семисегментного индикатора к микроконтроллеру:На этой схеме выводы порта PB0…..PB7 подключены к выводам индикатора в определенной последовательности. Выводу PB0 соответствует сегмент «А» и далее соответственно по порядковому номеру вывода порта и по алфавиту выводов индикатора, при этом десятичная точка «dp» подсоединена к выводу порта PB7. Сейчас и далее мы будем рассматривать схемы подключения для индикаторов с общим катодом, а при необходимости я буду вставлять дополнения для индикатора с общим анодом.

Для того, чтобы высветить определенную цифру на индикаторе, необходимо на соответствующих выводах порта микроконтроллера установить логическую единицу

На рисунке выше, черные цифры от 0 до 7 — выводы порта, зеленные латинские буквы — выводы светодиодного индикатора, красные нули — логические уровни на выходах порта (в данном случае логический уровень «0»).  Для того, чтобы, к примеру, высветить на индикаторе цифру «4» и зажечь десятичную точку нам необходимо подать логическую 1 на выводы индикатора B, C, F, G и dp, что соответствует подачи логической единицы на выводы порта 1,2,5,6 и 7:

Поэтому, первое что нам необходимо сделать, это определить соответствие каждой десятичной цифре двоичного числа, которое надо выдавать на выход порта микроконтроллера для зажигания соответствующих сегментов индикатора.
Для «четверки» мы уже определили такую комбинацию = 1110 0110, что соответствует шестнадцатиричному числу 66h, определяем и для остальных цифр:

Операция, которую мы проделали, называется переводом двоичного кода десятичного числа в код семисегментного индикатора.

Данная таблица дана для семисегментных индикаторов с общим катодом (сегмент индикатора зажигается логическим уровнем «1»). Для индикаторов с общим анодом (сегмент индикатора зажигается логическим уровнем «0») двоичные коды необходимо проинвертировать (поменять 0 на 1, и наоборот) и заново вычислить соответствующие значения в шестнадцатиричной системе.

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:

Параметры и максимальные эксплуатационные условия транзистора

Проверим теперь напоследок, подойдет ли нам выбранный транзистор.

Максимальное напряжение коллектор — эмиттер должно быть выше коммутируемого напряжения, а для случая коммутирования индуктивной нагрузки, выше коммутируемого напряжения с учетом бросков напряжения при выбранной схеме демпфирования.

Максимальный ток базы должен быть выше, чем наш расчетный управляющий ток.

Максимальный ток коллектора должен быть выше, чем коммутируемый ток.

Допустимая пиковая рассеиваемая мощность должна быть выше, чем пиковая рассеиваемая мощность в момент коммутации. Дело в том, что даже при условии невысокой средней рассеиваемой мощности, большая тепловая энергия, выделяющаяся за очень короткое время при переключении, может погубить биполярный транзистор.

Допустимая средняя рассеиваемая мощность должна быть выше, чем суммарная средняя мощность, рассеиваемая ключом.

Частота, рекомендованная для транзистора, должна быть выше, частота переключений в схеме.

Система охлаждения транзистора (радиатор или другая система отвода тепла) должны быть в состоянии рассеять выделяемую мощность.

Для использования в качестве ключей лучше подбирать транзисторы с минимальными напряжением насыщения коллектор — эмиттер, база — эмиттер, это снизит потери мощности в открытом состоянии, минимальными временами включения и выключения (рассасывания), это снизит потери мощности при переключении, максимальным коэффициентом передачи тока, это снизит потери на управление.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

Не могу согласится с утверждением, что (напряжение большое — ключ открыт), как раз — ключ должен быть закрыт т.е. у источника тока, когда цепь разорвана — напряжение максимально. Если смотреть характеристику транзистора — его наклонную прямую — видно, напряжение (кэ) макс. ток ( к). минимален и наоборот напряжение (кэ) минимально — ток — максимален. Правильно ли понимаю? Читать ответ…

Еще статьи

Биполярный транзистор. Принцип работы. Применение. Типы, виды, категор…
Все о биполярном транзисторе. Принцип работы. Применение в схемах. Свойства. Кла…

Мощный полевой транзистор irfp2907. МОП, MOSFET. Свойства, параметры, …
Применение и параметры IRFP2907, мощного полевого транзистора, рассчитанного на …

Схемотехника — тиристорные, динисторные, симисторные, тринисторные схе…
Схемотехника тиристорных устройств. Практические примеры. …

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко…
Как сконструировать пуш-пульный импульсный преобразователь. В каких ситуациях пр…

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус…
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за…

Преобразователь однофазного в трехфазное. Конвертер одной фазы в три. …
Схема преобразователя однофазного напряжения в трехфазное….

Схема защиты от ошибки подключения минуса и плюса (переполюсовки)….
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст…

Источник высокого напряжения для озонатора, ионизатора, экспериментов….
Как изготовить преобразователь с высоким выходным напряжением для формирования и…

Взаимодействие с другими ключами

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.

Упрощенный расчет транзистора для работы в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор
находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или
полностью закрытом (состояние отсечки).

Рассмотрим пример, где в
качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой
сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере
пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн    ,
где

Ik –ток коллектора

Ucc-
напряжение питания (27В)

Uкэнас-
напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.2 до 0.8В, хотя и
может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

Rн-
сопротивление нагрузки (150 Ом)

Итак,

Ik= (27-0.4)/150 =
0.18A = 180мА

На практике из соображений
надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент
1.5

Таким образом, нужен транзистор
с допустимым током коллектора не менее 1.5*0.18=0.27А и максимальным напряжением
коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем
справочник по биполярным транзисторам .По заданным параметрам подходит
КТ815А (Ikмакс=1.5А
Uкэ=40В)

Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы
обеспечить ток коллектора 0.18А.

Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

Ik=Iб*h21э,

где
h21э – статический
коэффициент передачи тока.

При отсутствии дополнительных данных
можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но
для КТ815 есть график зависимости
h21э от тока
эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует
h21э=60. Разница
невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Итак,

Iб=180/60=3мА

Для
расчета базового резистора R1
смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения
база-эмиттер (Uбэнас)
от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет
0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ
перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение
база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора
R1 должно быть равно:

R1=(Uвх-Uбэнас)/Iб
= (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из
стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1.3 кОм)

Если к
базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения
транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и
тогда формула примет вид:

R1= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+I_R2)
= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+

Uбэнас/R2)

Так, если
R2=1 кОм, то

R1=
(5-0.78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

P=Ik*Uкэнас

Uкэнас берем из
графика: при 180мА оно составляет 0.07В

P= 0.07*0.18=
0.013 Вт

Мощность
смешная, радиатора не потребуется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше
использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например,
MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот
фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным
ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА,
поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся
использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до
1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через
второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой
накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера
симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они
переключаются только в начале периода, что снижает помехи в
электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же
резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания
и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое —
симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь
напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для
России, Украины и многих других стран) — это значение
действующего напряжения. Пиковое напряжение равно .

Варианты исполнения

Вставленный в розетку электротройник со встроенным выключателем

Ключи бывают , и .

Механические ключи

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью; рычаг механического ключа изготовлен из диэлектрика и обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Как правило, применяются в случаях, когда не требуется отделять управляемую цепь.

Механические ключи:

• выключатели освещения и бытовых приборов;
• пакетные выключатели;
• тумблеры (переключатели характерной конструкции с приводом рычажно-пружинного исполнения);
• переключатели различных конструкций: галетные, клавишные, движковые и др.;
• кнопки: с самовозвратом, фиксирующиеся, с зависимой фиксацией.

Электромагнитные ключи

Положения «включено» и «отключено» электромагнитного ключа

Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления цепями, для управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), для создания гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, для синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Электромагнитные ключи:

• электромагнитные реле;
• шаговые искатели;
• контакторы;
• магнитные пускатели.

Электронные ключи

В электронных ключах и ключевых схемах применяются различные электронные приборы
В неуправляемых электронных ключах:

диоды.

В управляемых электронных ключах:

• электровакуумные приборы;
• тиристоры;
• симисторы;
• транзисторы.

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его управляющий электрод управляющего напряжения определённой полярности и уровня.

Работа электронных ключей основана на ключевых свойствах транзисторов. Например, ключи на биполярных транзисторах включённых по схеме с общим эмиттером работают следующим образом. При подаче на базу транзистора сигнала низкого уровня («логический 0») относительно эмиттера транзистор закрыт, ток через транзистор не идёт, при этом на коллекторе транзистора будет всё напряжение питания нагрузки. При подаче на базу транзистора сигнала высокого уровня «логической 1», транзистор открывается и в цепи коллектор-эмиттер возникает ток. Напряжение между коллектором и эмиттером становится малым, при этом все напряжения питания нагрузки оказывается приложенным к нагрузке.

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Ключи на полевых транзисторах потребляют меньшую мощность управления, однако быстродействие их обычно ниже по сравнению с биполярными.

В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

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 h_21Э). 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.