Транзистор в режиме ключа схема

Электронный ключ на транзисторе — принцип работы и схема

В импульсных устройствах очень часто можно встретить транзисторные ключи. Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в других электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ выполняет свою функцию, и в зависимости от режима работы транзистора, схема ключа в целом может меняться, однако основная принципиальная схема транзисторного ключа — следующая:

Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа — это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.

В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние — состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние — состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в другое, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.

Статические состояния описываются в соответствии со статическими характеристиками транзистора. Характеристик две: семейство выходных — зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.

Для режима отсечки характерно смещение обеих p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка — это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превышает пороговое и имеет полярность обратную рабочей. В таком состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.

При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов больше чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в соответствии с нижней кривой из семейства выходных характеристик, эту кривую так и называют «характеристика отсечки».

Для примера проведем упрощенный расчет для ключевого режима транзистора, который будет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет длительное время находиться лишь в одном из двух главных состояний: полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка).

Пусть нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В будет составлять 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пусть разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет исходя из того, что реле включат один раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:

Iк = (Uпит-Uкэнас) / Rн.

Где: Iк — постоянный ток коллектора; Uпит — напряжение питания (12 вольт); Uкэнас — напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн — сопротивление нагрузки (400 Ом).

Получаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.

Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.

Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где h21э – статический коэффициент передачи по току.

Современные мультиметры позволяют измерять этот параметр, и в нашем случае он составил 50. Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для надежности взять минимальное из документации на данный транзистор.

Чтобы нужно определить необходимое значение резистора базы. Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет осуществляться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для обеспечения требуемого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получим:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом

Выберем в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из стандартного ряда резистор 6,8 кОм.

НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было надежным, будем применять дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит необходимо понизить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+Uбэнас/R2)

R1 = (5-1) / (0,000574+1/6800) = 5547 Ом.

Пусть будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.

Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радиатор транзистору не потребуется.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Транзисторный ключ

Транзисторный ключ — устройство, предназначенное для управления мощной нагрузкой с помощью сравнительно слабого сигнала. Подобно тому, как обычный ключ замыкает и отмыкает замок, транзисторный ключ замыкает и отключает электронную цепь. На заре электроники для этой цели использовались электромагнитные реле, но постепенно они вытеснялись электронными ключами благодаря преимуществам последних: у электронных ключей отсутствуют движущиеся детали (следовательно, нет механического износа со временем) и выше быстродействие.

Содержание:

• Режим работы транзистора в ключе
• Расчёт транзисторного ключа
• Способы ускорения переключения
• Подключение индуктивной нагрузки
• Инверсия сигнала
• Особенности ключей на полевых транзисторах

Схема простейшего транзисторного ключа на биполярном транзисторе приведена на рисунке:

Простейший ключ на биполярном транзисторе

Режимы работы транзистора в ключе

Параметры схемы подобраны таким образом, что транзистор находится в одном из двух основных режимов.

Режим отсечки. Сигнал на базе отсутствует, транзистор закрыт. На обоих его pn-переходах нулевое либо обратное смещение. Сопротивление транзистора очень велико, через него протекают только мизерные токи утечки, которыми можно пренебречь.

Транзистор в режиме отсечки

Режим насыщения. Оба pn-перехода транзистора смещены в прямом направлении. В этой ситуации носители заряда инжектируются в базу не только из эмиттера, но и из коллектора. Сопротивление транзистора минимально, и обычно при расчётах принимается за 0. Ток коллектора максимален и уже не зависит от тока базы. То есть, в режиме насыщения ток базы не управляет коллекторным током.

Транзистор в режиме насыщения

Ну и во время переключения транзистор только на очень короткое время проходит через активный режим. В этом отличие ключей от усилителей аналоговых сигналов, рассмотренных ранее. Там транзистор работает только в активном режиме, и не должен достигать ни отсечки ни насыщения, чтобы не срезать часть сигнала.

Расчёт транзисторного ключа

• U_вх — величина управляющего сигнала на входе, которым открывается ключ
• I_{вх.макс.} — максимальный ток, который может обеспечить предыдущий каскад, например, микроконтроллер.
• U_нагр — напряжение на нагрузке
• I_нагр — ток, потребляемый нагрузкой

1. По справочнику подбираем транзистор. Допустимый коллекторный ток должен с запасом превышать I_нагр, допустимое напряжение К-Э также с запасом больше U_пит. Коэффициент усиления транзистора h_21э должен быть не меньше, чем отношение I_нагр / I_{вх.макс.}
2. Если U_нагр< U_пит, придётся последовательно с нагрузкой поставить ограничивающий резистор R_огр. Пример: питание 9 В, нужно подключить светодиод, рабочее напряжение которого 3 В при токе 50 мА. Тогда на ограничивающем резисторе должно падать 9 — 3 = 6 В (не учитываем тут небольшое падение на открытом транзисторе, оно составляет порядка 0.1 — 0.2 В). Тогда сопротивление R_огр по закону Ома равно 6 В / 0.05 А = 120 Ом.
3. Считаем ток базы: I_б = I_нагр / h_21э. Если в справочнике приведён диапазон для h_21э, берём минимальное значение.
4. Считаем резистор R_б, который задаёт ток базы. Учитываем, что на переходе Б-Э падает около 0.6 В для кремниевых транзисторов. Внимание! Для составных транзисторов это значение увеличивается до 1.2 — 1.4 В. Итак, R_б = (U_вх — U_б-э)/I_б

Расчёт транзисторного ключа

Способы ускорения переключения

Главное, что требуется от ключа — быстро реагировать на управляющий сигнал. Есть несколько способов улучшить приведённую выше схему, чтобы повысить её быстродействие.

Для начала обсудим момент отключения. Когда пропадает сигнал на базе, накопленным в базе зарядам нужно куда-то деться. Хорошо, если вход ключа подключен к push-pull выходу, и заряды могут стечь через R_б. А если предыдущий каскад сконструирован таким образом, что база просто остаётся висеть в воздухе? Рассеивание зарядов естественным образом происходит сравнительно медленно, и всё это время транзистор остаётся открытым, при том, что управляющего сигнала уже нет.

Чтобы устранить данный недостаток, в схему добавляют резистор между базой и эмиттером, через который накопленные заряды могут стечь:

Ускорение отключения ключа с помощью резистора между базой и эмиттером

Сопротивление R_бэ должно быть не слишком велико, чтобы транзистор быстрее выключался. Но и не слишком мало, чтобы не забрать на себя весь входной ток, и тогда транзистор просто перестанет открываться.

Чтобы ускорить переключение транзисторного ключа, иногда применяют ускоряющий конденсатор:

Схема ключа на биполярном транзисторе с форсирующим конденсатором

После появления управляющего сигнала в первый момент времени сопротивление конденсатора C₁ нулевое, и ток базы ограничен только R_б1. По мере заряда конденсатора ток плавно падает и в итоге задаётся уже суммой R_б1 + R_б2 (конденсатор полностью заряжен и не проводит).

Этот же конденсатор помогает ускорить закрытие транзистора: в момент выключения заряженный конденсатор оказывается приложен «минусом» к базе, так что положительный заряд базы быстро утекает через C₁.

Наконец, полностью устранить задержку выключения можно, если не давать транзистору входить в режим насыщения. С этой целью подключают диод, который не даёт возникнуть прямому смещению на переходе коллектор-база:

Диод Шоттки в ключе

Диод обеспечивает нелинейную отрицательную обратную связь. Он открывается, когда напряжение на коллекторе падает слишком низко, и поддерживает транзистор на границе активного режима и режима насыщения. Предпочтительнее применять диод Шоттки, т.к. у него ниже падение напряжения на открытом диоде.

Такая комбинация (транзистор + диод Шоттки) часто используется в микросхемах при реализации транзисторных ключей, и называется транзистор Шоттки.

Подключение индуктивной нагрузки

Если нагрузка обладает индуктивностью (некоторые двигатели, мощные реле), при её подключении есть некоторые особенности.

Прежде всего, в момент отключения за счёт ЭДС самоиндукции на такой нагрузке возникнет скачок обратного напряжения, который по амплитуде может даже превышать напряжение питания (см. эксперименты с реле). Чтобы защитить схему от этого скачка, параллельно нагрузке включают защитный диод. В штатном режиме он заперт, а в момент отключения берёт на себя скачок обратного напряжения.

Для включения индуктивной нагрузки в первый момент может быть необходим достаточно большой ток, чтобы преодолеть самоиндукцию. А в стабильном состоянии, для поддержания работы ток можно уменьшить. Это реализуется уже знакомым нам приёмом, с помощью ускоряющего конденсатора.

Подключение индуктивной нагрузки к транзисторному ключу

Инверсия сигнала

Транзисторный ключ может быть использован и для инверсии сигнала, вот таким образом:

Схема ключа с инверсией сигнала

Когда есть сигнал на базе, транзистор открыт и шунтирует нагрузку, она выключена. Когда транзистор закрыт, нагрузка включается.

Кроме того, стоит упомянуть, что транзисторный ключ может быть сконструирован не только по схеме с ОЭ, но и ОК или ОБ — в зависимости от сопротивлений источника сигнала и нагрузки.

В данной статье во всех схемах с биполярными транзисторами используется тип n-p-n, но с таким же успехом можно применять и p-n-p транзисторы, если заменить полярность питания и управляющего сигнала на противоположную.

Особенности ключей на полевых транзисторах

На рисунке приведена схема простейшего ключа на полевом транзисторе.

Схема ключа на полевом транзисторе

Этот тип полевых транзисторов (с изолированным затвором, MOSFET) имеет очень высокое входное сопротивление, и управляется не током, а напряжением. Однако, в момент включения/выключения происходит заряд/разряд конденсатора, образованного затвором и подложкой. R_з в этой схеме служит именно для того, чтобы ограничить ток заряда/разряда этого конденсатора. По сути, защитить источник сигнала от чрезмерных для него токов.

Также, в случае полевых транзисторов нельзя оставлять висящий затвор, его обязательно подтягивать к земле или к питанию (в зависимости от типа транзистора). Иначе возможны ложные срабатывания ключа.

Иногда перед полевым транзистором ставят ещё ключ с биполярным транзистором. Во-первых, этот дополнительный каскад помогает повысить напряжение — для открытия полевого транзистора на затвор нужно подать около 10 В, не каждый микроконтроллер на это способен. Во-вторых, биполярный транзистор обеспечивает больший ток включения, что повышает быстродействие схемы.

Или, можно воспользоваться микросхемой-драйвером, которая управляет мощным полевиком и обеспечивает все необходимые токи и напряжения.

Поделиться в соцсетях:

Комментарии (1)

12 декабря 2023 — Денис

Спасибо за подробные схемы.

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_ при замыкании переключателя S_1 . Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

U_ = E_ \medspace — \medspace U_

• 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_ . 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:

U_ + I_к R_к = E_
I_к = \frac \medspace — \medspace U_>

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_ 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_ 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_ = 100. 500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
• Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_ = 0.6 \medspace В .
• Напряжение насыщения: U_ = 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_ , 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_ = 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_ = 9\medspace В .

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

U_ + U_ + U_д = E_

При этом по закону Ома напряжение на резисторе R_ :

U_ = I_к R_к

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

U_ = I_д R_к

U_ + I_д R_к + U_д = E_

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

R_к = \frac \medspace - \medspace U_д \medspace - \medspace U_> \enspace= \frac \medspace\approx 118 \medspace Ом.

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_ = 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:

I_к = \frac> \medspace = \frac \medspace\approx\medspace 49.17 \medspace мА

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

I_б = \frac> = \frac = 491.7 \medspace мкА

А падение напряжения на резисторе R_б :

U_ = E_ \medspace - \medspace 0.6 \medspace В = 3.3 \medspace В \medspace - \medspace 0.6 \medspace В = 2.7 \medspace В

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

R_б = \frac>\medspace = \frac \approx 5.49 \medspace КОм

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_ ), 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_ = 5.1\medspace КОм
• R_ = 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.

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 U_КЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор R_К. Обратите внимание, положительный потенциал U_КЭ посредством R_К подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания U_КЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора R_К служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением U_БЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Величина U_БЭ 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 U_КЭ и управляющего сигнала U_БЭ 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 U_КЭ. Коллекторный ток I_К близок к нулю. При этом ток в цепи базы I_К 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 I_К имеет некое значение, которое зависит от величин U_КЭ и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Б, 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 R_К и базы R_Б. 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 R_К, который предназначен для ограничения величины тока I_К, протекающего через светодиод VD. R_К находится по закону Ома:

Величина I_К равна I_VD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение U_КЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔU_VD 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 ΔU_КЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление R_К:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала R_К = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод I_VD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы R_Б:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔU_Rб и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_Rб:

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

Для определения тока базы I_Б необходимо знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 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 R_К и R_Б 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.