Електронни ключове.

При работа с сложни веригиПолезно е да използвате различни технически трикове, които ви позволяват да постигнете целта си с малко усилия. Един от тях е създаването на транзисторни ключове. какви са те Защо трябва да се създават? Защо се наричат ​​още „електронни ключове“? Какви са характеристиките на този процес и на какво трябва да обърнете внимание?

От какво са направени транзисторните ключове?

Те се извършват с помощта на поле или Първите се разделят допълнително на MIS и ключове, които имат контролен p-n преход. Сред биполярните се разграничават не/наситени. 12-волтов транзисторен ключ ще може да задоволи основните нужди на радиолюбител.

Статичен режим на работа


Той анализира затвореното и отвореното състояние на ключа. В първия входът съдържа ниско ниво на напрежение, което показва сигнал за логическа нула. В този режим и двата прехода са в обратна посока (получава се cutoff). Но токът на колектора може да бъде повлиян само от термичен ток. В отворено състояние входът на ключа има високо ниво на напрежение, съответстващо на сигнала логическа единица. Има възможност за работа в два режима едновременно. Такава операция може да бъде в областта на насищане или линейната област на изходната характеристика. На тях ще се спрем по-подробно.

Наситеност на клавишите

В такива случаи транзисторните преходи са предубедени. Следователно, ако базовият ток се промени, стойността на колектора няма да се промени. При силициевите транзистори са необходими приблизително 0,8 V, за да се получи отклонение, докато при германиевите транзистори напрежението варира между 0,2-0,4 V. Как се постига насищането на превключвателя като цяло? За да направите това, базовият ток се увеличава. Но всичко си има граници, както и нарастващата наситеност. Така че, когато се достигне определена стойност на тока, той спира да нараства. Защо трябва да наситете ключа? Има специален коефициент, който отразява състоянието на нещата. С увеличаването си товароносимостта на транзисторните ключове се увеличава, дестабилизиращите фактори започват да влияят с по-малка сила, но производителността се влошава. Следователно стойността на коефициента на насищане се избира от компромисни съображения, като се фокусира върху задачата, която трябва да бъде изпълнена.

Недостатъци на ненаситения ключ

Какво се случва, ако оптималната стойност не е постигната? Тогава ще се появят следните недостатъци:

  1. Напрежение публичен ключще падне до около 0,5 V.
  2. Имунитетът към шум ще се влоши. Това се обяснява с повишеното входно съпротивление, което се наблюдава в превключвателите, когато са в отворено състояние. Следователно смущения, като скокове на напрежение, също ще доведат до промени в параметрите на транзисторите.
  3. Наситеният ключ има значителна температурна стабилност.

Както можете да видите, все пак е по-добре да извършите този процес, за да получите в крайна сметка по-модерно устройство.

Изпълнение

Взаимодействие с други клавиши

За тази цел се използват комуникационни елементи. Така че, ако първият ключ има високо ниво на напрежение на изхода, тогава вторият ключ се отваря на входа и работи в определения режим. И обратното. Такава комуникационна верига значително влияе върху преходните процеси, които възникват по време на превключване и скоростта на клавишите. Ето как работи транзисторният ключ. Най-често срещаните са схеми, в които взаимодействието се осъществява само между два транзистора. Но това изобщо не означава, че не може да се направи устройство, в което ще се използват три, четири или дори повече елемента. Но на практика е трудно да се намери приложение за това, така че работата на транзисторен ключ от този тип не се използва.

Какво да избера

С какво е по-добре да работите? Нека си представим, че имаме обикновен транзисторен превключвател, чието захранващо напрежение е 0,5 V. Тогава с помощта на осцилоскоп ще бъде възможно да запишете всички промени. Ако колекторният ток е настроен на 0,5 mA, напрежението ще падне с 40 mV (в основата ще бъде приблизително 0,8 V). По стандартите на проблема можем да кажем, че това е доста значително отклонение, което налага ограничение върху използването в цял набор от вериги, например в превключватели, затова се използват специални, където има контролен p-n кръстовище. Техните предимства пред техните биполярни аналози са:

  1. Незначителна стойност на остатъчното напрежение на ключа в състояние на окабеляване.
  2. Високо съпротивление и в резултат на това нисък ток, който протича през затворения елемент.
  3. Ниската консумация на енергия означава, че не е необходим значителен източник на управляващо напрежение.
  4. Може да превключва електрически сигнали ниско ниво, които са единици микроволта.

Транзисторният релеен превключвател е идеално приложение за полеви приложения. Разбира се, това съобщение е публикувано тук единствено, за да даде на читателите представа за тяхното приложение. С малко познания и изобретателност ще бъдат изобретени много възможности за реализации, които включват транзисторни ключове.

Пример за работа

Нека разгледаме по-подробно как функционира един прост транзисторен ключ. Комутираният сигнал се предава от един вход и се премахва от другия изход. За да заключите ключа, към портата на транзистора се прилага напрежение, което надвишава стойностите на източника и изтичането с количество, по-голямо от 2-3 V. Но трябва да се внимава да не се превишават границите допустим диапазон. Когато ключът е затворен, съпротивлението му е сравнително високо - повече от 10 ома. Тази стойност се получава поради факта, че обратният ток също влияе p-n отместванияпреход. В същото състояние капацитетът между превключваната сигнална верига и управляващия електрод варира в диапазона 3-30 pF. Сега нека отворим транзисторния ключ. Диаграмата и практиката ще покажат, че тогава напрежението на управляващия електрод ще се доближи до нула и силно зависи от съпротивлението на натоварване и характеристиката на превключваното напрежение. Това се дължи на цяла система от взаимодействия между гейт, дрейн и сорс на транзистора. Това създава определени проблеми при работа в режим хеликоптер.

Като решение на този проблем те са разработени различни схеми, които осигуряват стабилизиране на напрежението, което протича между канала и портата. И благодарение на физични свойстваВ това качество може да се използва дори диод. За да направите това, той трябва да бъде включен в предната посока на блокиращото напрежение. Ако се създаде необходимата ситуация, диодът ще се затвори и pn преходът ще се отвори. Така че когато напрежението на превключване се промени, той остава отворен и съпротивлението на неговия канал не се променя, между източника и входа на превключвателя може да се свърже резистор с високо съпротивление. А наличието на кондензатор значително ще ускори процеса на презареждане на контейнерите.

Изчисляване на транзисторния ключ


За разбиране, ето пример за изчисление, можете да замените вашите данни:

1) Колектор-емитер - 45 V. Обща разсейвана мощност - 500 mw. Колектор-емитер - 0,2 V. Гранична честота - 100 MHz. База-емитер - 0.9 V. Колекторен ток - 100 mA. Статистически коефициент на пренос на ток - 200.

2) Резистор за 60 mA ток: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинално съпротивление на колектора: 3,45\0,06=57,5 Ohm.

4) За удобство приемаме номиналната стойност от 62 ома: 3,45\62=0,0556 mA.

5) Отчитаме базовия ток: 56\200=0,28 mA (0,00028 A).

6) Колко ще бъде на основния резистор: 5 - 0,9 = 4,1V.

7) Определете съпротивлението на основния резистор: 4,1\0,00028 = 14,642,9 ома.

Заключение

И накрая, за името „електронни ключове“. Факт е, че състоянието се променя под въздействието на тока. какъв е той Точно така, колекция от електронни такси. Оттук идва второто име. това е всичко Както можете да видите, принципът на работа и дизайнът на транзисторните ключове не е нещо сложно, така че разбирането на това е осъществима задача. Трябва да се отбележи, че дори авторът на тази статия трябваше да използва малко справочна литература, за да опресни собствената си памет. Ето защо, ако имате въпроси относно терминологията, предлагам да запомните наличието на технически речници и да потърсите нова информация за транзисторните ключове там.

Понастоящем има ясна тенденция към изоставяне на чисто аналогови схеми и преминаване към цифрови с широкото използване на микропроцесорна технология. Цифровата обработка на сигнали осигурява широки предимства по отношение на гъвкавостта на решенията, технологичността на дизайна и икономията на енергия. В схемотехническо отношение се базира цифровата техника, както и значителен брой т.нар импулсни устройстваима електронни ключове.

Технически изпълнения цифрови схеми, в които сигналите са представени чрез дискретно квантувани нива на напрежение (ток), се основават на използването на електронни превключватели за напрежение (ток), наречени електронни превключватели. Като нелинейни устройства с контролирано съпротивление в електронните ключове се използват полупроводникови диоди, биполярни и полеви транзистори, фототранзистори, тиристори, оптрони и вакуумни тръби.

Подобно на механичните превключватели (превключватели), естествено е да се характеризира електронен превключвател чрез съпротивление в отворено и затворено състояние, гранични стойности на превключвания ток и напрежение и времеви параметри, описващи скоростта на превключване от едно състояние в друго. Трябва да се отбележи, че електронните ключове, за разлика от механичните, най-често не са двупосочни, т.е. комутационен ток и напрежение с еднакъв знак.

Необходимо е да се прави разлика аналогови електронни ключове, предназначени за предаване аналогов сигналс минимално изкривяване и цифрови ключове, осигуряващи формирането на двоични сигнали. Аналоговите превключватели формират основата на всички видове сигнални превключватели, които се използват широко в технологията за аналогово-цифрово преобразуване. Въпреки приликите във функционалността между цифровите и аналоговите ключове, изискванията за последните се различават значително от изискванията за цифровите ключове, което води до напълно различни съображения за това кои аналогови ключове трябва да бъдат проектирани.

По вид електронните ключове могат да бъдат разделени на:

  • функционален, преобразуващ входна логическа променлива в изходна логическа променлива. Преобразуването може да се извърши със затихване - функционален пасивен елемент (фиг. а) и с усилване, когато изходната логическа променлива y черпи енергия от z. z – функционален активен елемент (фиг. б);
  • логически, преобразуващ (сравняващ) няколко входни логически променливи в една, която е функция на тези входни логически променливи (фиг. c).

Диодни ключове.

Използва се в диодни превключватели зависимост на съпротивлението на диода от големината и знака на приложеното напрежение.

Известно е, че диодният ток се определя от израза: , където 26 mV при 298K - температурен потенциал, м - коефициент, отчитащ влиянието на повърхностните токове на утечка на германий и генериране-рекомбинация в p-n преход x силициеви диоди (- 1.2...1.5, - 1,2...2). Термичният ток на диода е практически независим от напрежението, приложено към диода и се определя от електрическите свойства на полупроводника и неговата температура на нагряване, Къде - константа, определена от полупроводниковия материал и концентрациите на примеси, Великобритания - контактна потенциална разлика. Като се вземат предвид активното съпротивление p и n области активно съпротивлениедиод е равно на:

При достатъчно високи напрежения (десетки до десетки ома), с обратно предубедено съединение (десетки до стотици kOhms).

Еквивалентната схема на диода е показана на фиг.1. Инерцията на ключа се определя от процесите на натрупване на малцинствени носители в p-n областипреход, капацитет p-nпреход, капацитет между изводите и индуктивност на изводите. Основният референтен параметър, който определя работата на един диод, е времето за възстановяване на обратното съпротивление.


r ym - устойчивост на течове;

От 0 - капацитет между изводите на диода;

L - терминална индуктивност;

S D - дифузия капацитет p-nпреход при наклон напред;

C B - бариерен капацитет на p-n прехода при обратно отклонение

Фиг.1 Диодна еквивалентна схема

Въз основа на диодни превключватели можете да изградите различни логически елементи (фиг. 2).


Фигура 2 - Пример за логически схеми, базирани на диодни ключове

Електронните превключватели, базирани на диоди, са пасивни структури, което води до отслабване на сигнала при преминаване през такива превключватели, което е особено забележимо при конструирането на многостепенни структури.

Инерцията на диодните превключватели се дължи на натрупването на незначителни носители в областта на p-n прехода, капацитета на p-n прехода и капацитета и индуктивността на проводниците. В допълнение към изброените параметри, индуктивността и капацитетът на товара, както и монтажните капацитети, също са важни. Справочниците за дискретни диоди най-често посочват времето за обратно възстановяване (възстановяване на обратното съпротивление), поради дифузионното движение на миноритарните носители. За да се намали това време, може да се използва създаването на капани, които насърчават рекомбинацията на малцинствени носители или създаването на неравномерна концентрация на примеси (диоди за съхранение на заряд). Диодните превключватели се използват най-често като спомагателни устройства в цифровата и аналоговата техника.

Електронни ключове на базата на биполярни транзистори.

Най-често се използват превключватели, които са сглобени по схема с общ емитер, както е показано на фиг. 3.

В режим на превключване биполярният транзистор работи в режим на насищане (затворен ключ) или режим на прекъсване (отворен ключ). Полезно е да запомните, че в режим на насищане и двете връзки (колектор-база и емитер-база) са отворени, докато в режим на прекъсване те са затворени. В режим на насищане изходната верига на транзистора може да бъде представена от еквивалентен източник на напрежение, чиято стойност на EMF е дадена в справочници ( Уканас - напрежение на насищане). Строго погледнато, трябва да се вземе предвид и вътрешното съпротивление на този източник, чиято стойност се определя от стръмността на наклона на линията на граничния режим, но в повечето практически важни случаи за инженерни изчисления можем да се ограничим до стойност - Уканас . Резистори Rb И Rк трябва да осигури надеждно изключване на транзистора при ниско ниво на управляващия сигнал в целия диапазон от работни температури и насищане при високо ниво на управляващия сигнал.


Фигура 3 - Схема електронен ключна биполярен транзистор

При изчисляване е необходимо да се вземе предвид обратен токколектор, протичащ през резистор Rb и създавайки спад на напрежението в него. Общото напрежение на емитерния преход се определя от израза:

където е максималният обратен колекторен ток, Уо - ниско ниво на напрежение на управляващия сигнал. Очевидно е необходимо, за да изключите надеждно транзистора Ube< Ubeots . Необходимо е да се вземе предвид силната температурна зависимост на обратния ток на колектора и да се избере максималната стойност за изчисляване. В противен случай ключът може да "изтече" при промяна на температурата.

Отворен транзистор може да бъде в активен режим или режим на насищане. За електронните ключове активният режим е нерентабилен, тъй като в този режим значителна мощност се разсейва върху колектора. Следователно активният режим е допустим само при преходни процеси (където той, строго погледнато, е неизбежен).

За да се осигури насищане, е необходимо отношението да бъде изпълнено. Базовият ток може да се определи по формулата: . Токът на насищане се определя от съпротивлението на резистора в колекторната верига, усилващите свойства на транзистора и съпротивлението между колектора и емитера в наситено състояние: . Когато правите изчисления, препоръчително е да използвате най-лошата стойност. Имайте предвид, че ако условието за насищане е нарушено, транзисторът преминава в активен режим, което е придружено от увеличаване на напрежението на колектора и увеличаване на разсейването на мощността. В някои случаи се използва различен критерий за насищане - директно отклонение на двете преходи на транзистора (база-емитер и база-колектор). В активен режим преходът база-колектор е предубеден в обратна посока.

Използвайки този критерий, е лесно да се разбере, че композитен транзистор (според схемата на Дарлингтън) не може да бъде напълно наситен, тъй като основата на изходния транзистор в най-добрия случай може да има потенциал, равен на потенциала на колектора.

Необходима част от проектирането на електронни ключове е оценката на техните динамични свойства, които определят скоростта на превключване и загубите на енергия на този етап (динамични загуби).

Преходни процеси в електронен ключ на биполярен транзисторхарактеризиращ се с продължителността на цикъла на превключване, който може да бъде разделен на няколко отделни етапа:

При закъснение;

Включване (увеличаване на тока до стойност, съответстваща на насищане);

Забавяне на изключване (поради резорбция на заряда в основата при преминаване от режим на насищане към активен режим);

Изключване (поради намаляване на тока на колектора до стойността, съответстваща на прекъсването).

Също така е необходимо да се вземат предвид процесите на зареждане на инсталационни кондензатори и товари, които не са пряко свързани с транзистора, но могат значително да повлияят на продължителността на преходния процес като цяло.

Нека разгледаме характеристиката раздели от процеса на преходапо времедиаграми (фиг. 4).


Фигура 4 - Преходни процеси в биполярен транзисторен ключ

  1. Транзисторът е заключен, базовият ток се определя от обратния колекторен ток, в основата практически няма заряд, а изходът на превключвателя е на високо ниво.
  2. Потенциалът на ключовия вход се увеличава рязко и входният капацитет започва да се зарежда. Базовият и колекторният ток не се променят, докато напрежението на прехода база-емитер не надвишава напрежението на прекъсване (време на забавяне при включване).
  3. Когато напрежението на прекъсване бъде превишено, емитерният преход се отваря и транзисторът преминава в активен режим. Малцинствените носители, инжектирани в основата, нарушават равновесното състояние на основата и започва натрупването на заряд. Токът на колектора се увеличава пропорционално, поради извличането на носители в областта на колектора. Времето преди влизане в режим на насищане е времето за включване.
  4. В режим на насищане всички токове и напрежения остават постоянни, докато зарядът в основата продължава да нараства, макар и с по-бавна скорост. Заряд, надвишаващ стойността, съответстваща на прехода към режим на насищане, се нарича излишък.
  5. Когато потенциалът на входа на превключвателя се промени рязко, базовият ток също бързо намалява, равновесното състояние на базовия заряд се нарушава и започва неговата резорбция. Транзисторът остава наситен, докато зарядът намалее до гранична стойност, след което преминава в активен режим (време за забавяне на изключване).
  6. В активен режим базовият заряд и колекторният ток намаляват, докато транзисторът премине в режим на прекъсване. В този момент входното съпротивление на превключвателя се увеличава. Този етап определя времето за изключване.
  7. След като транзисторът влезе в режим на прекъсване, изходното напрежение продължава да се увеличава, тъй като товарният капацитет, монтажният капацитет и колекторният капацитет се зареждат.

Очевидно степента (дълбочината) на насищане на транзистора играе ключова роля.

За да определите количествено параметрите на превключване, можете да използвате следните изрази:

Има схемотехнически методи за увеличаване на скоростта на превключване: форсираща верига (фиг. 5а) и нелинейна обратна връзка (фиг. 5b).


а) Ключ със силова верига


б) Ключ с нелинейна обратна връзка

Фигура 5 - схемни техники за увеличаване на производителността

Принципът на действие на форсиращата верига е очевиден: когато транзисторът е отключен, базовият ток се определя от процеса на зареждане на форсиращия капацитет (бърз преход към режим на насищане); в отворено състояние базовият ток се определя от a резистор, чиято стойност е избрана по такъв начин, че да осигури плитко насищане на транзистора. По този начин се намалява времето за резорбция на второстепенните носители в основата.

При използване на нелинейна обратна връзка се използва диод, свързан между базата и колектора на транзистора. Заключеният диод не влияе на работата на веригата; когато ключът се отвори, диодът е предубеден и транзисторът е в дълбока отрицателна обратна връзка. За да се намали времето за изключване, е необходимо да се осигури кратко време за възстановяване на обратното съпротивление на диода, за което се използват диоди с бариера на Шотки. Монолитната структура на диод на Шотки - биполярен транзистор се нарича транзистор на Шотки.

Превключвателите, базирани на биполярни транзистори, имат редица недостатъци, които ограничават тяхното използване:

Ограничена производителност, причинена от крайната скорост на резорбция на миноритарни носители в основата;

Значителна мощност, консумирана от управляващите вериги в статичен режим;

При паралелно свързване на биполярни транзистори е необходимо да се използват изравнителни резистори в емитерните вериги, което води до намаляване на ефективността на веригата;

Термична нестабилност, определена от увеличаване на тока на колектора с увеличаване на температурата на транзистора.

Електронни ключове на базата на полеви транзистори.

IN В момента има активно изместване на биполярни транзистори от областта на ключовите устройства. До голяма степен полевите транзистори служат като алтернатива. Транзисторите с полеви ефекти не консумират статична мощност през управляващата верига, не съдържат миноритарни носители, което означава, че не изискват време за разсейване и накрая, повишаването на температурата води до намаляване на тока на изтичане, което осигурява увеличен термична стабилност.

От многообразието полеви транзистори за конструиране на електронни ключове най-широко използвани са MIS - транзисторис индуциран канал (в чуждестранната литература - обогатен тип). Транзисторите от този тип се характеризират с прагово напрежение, при което възниква проводимост на канала. В областта на ниските напрежения между изтичане и източник (отворен транзистор) може да бъде представен от еквивалентно съпротивление (за разлика от наситен биполярен транзистор - източник на напрежение). Референтните данни за ключови транзистори от този тип включват параметъра Rsiopen - съпротивление дрейн-източник в отворено състояние. За транзистори с ниско напрежение стойността на това съпротивление е десети до стотни от ома, което определя ниска мощност, разсейвани от транзистора в статичен режим. за съжаление, Rsiopen нараства забележимо с увеличаване на максимално допустимото напрежение дрейн-източник.


Фигура 7 - Ключ на MOS транзистор с индуциран затвор.

Трябва да се има предвид, че режимът на насищане за MOS транзистор е фундаментално различен от режима на насищане на биполярен транзистор. Преходните процеси в превключвателите на полеви транзистори се причиняват от прехвърлянето на носители през канала и презареждането на междуелектродни капацитети, товарни и инсталационни кондензатори. Тъй като електроните имат по-висока работна скорост от дупките, n-каналните транзистори имат по-добра производителност в сравнение с p-каналните.

В схемата на ключови устройства, базирани на полеви транзистори, верига с общ източник, представена на фиг. 7а. Когато транзисторът е изключен, през него протича неконтролиран (първоначален) ток на изтичане. Когато транзисторът е отворен, токът през транзистора трябва да се определя от стойността на съпротивлението на товара и захранващото напрежение. За надеждно отключване на транзистора амплитудата на управляващото напрежение се избира от условието:, Къде - ток на натоварване, Uо - прагово напрежение,И така - наклон на ток-напреженовата характеристика. Понастоящем се произвежда достатъчна гама от транзистори, за които напрежението на ниво TTL е достатъчно, за да ги контролира.

Преходните процеси в превключвателите на MOS транзистори са показани на фигура 8.

Фигура 8. Диаграми на напрежението в превключвателя на транзистор с полеви ефекти.

Преходни процеси в ключове на MOS транзистористава така:

За удобство при изчисляване на продължителността на преходните процеси в превключвателите на MIS транзисторите е препоръчително да използвате параметъра зареждане при включване Qsvkl. Например, транзистор с Qsvkl = 20 nC може да се включи за 20 μs с ток от 1 mA и за 20 ns с ток от 1 A. Посоченият параметър е даден в справочници и се определя експериментално от производителя.

Транзисторният ключ е основният компонент в технологията на импулсния преобразувател. В схемите на всеки импулсни източницизахранвания, които почти напълно изместиха трансформаторните захранвания, използват се транзисторни ключове. Пример за такива източници на енергия са компютърни блоковехранене, зарядни устройствателефони, лаптопи, таблети и др. Транзисторните ключове изместиха електромагнитните релета, тъй като основното им предимство е липсата на механични движещи се части, което води до повишена надеждност и издръжливост на ключа. В допълнение, скоростта на включване и изключване на електронните полупроводникови ключове е много по-висока от скоростта на електромагнитните релета.

Също така транзисторен ключ често се използва за включване/изключване (превключване) на товар със значителна мощност въз основа на сигнал от микроконтролера.

Същността на електронния ключ е да го управлявате висока мощностна сигнал с ниска мощност.

Има полупроводникови ключове, базирани на транзистори, тиристори и триаци. Тази статия обаче обсъжда работата на електронен ключ, базиран на биполярен транзистор. В следващите статии ще бъдат обсъдени други видове полупроводникови ключове.

В зависимост от структурата на полупроводника биполярните транзистори се разделят на два вида: стр — п — стр И п — стр — п тип ( ориз. 1 ).

ориз. 1 – Структури на биполярни транзистори

В електрическите схеми биполярните транзистори са обозначени, както е показано в ориз. 2 . Средният щифт се нарича база, щифтът със "стрелката" е емитер, а останалият щифт е колектор.


ориз. 2 – Обозначение на транзисторите в схемите

Също така транзисторите могат да бъдат условно изобразени като два диода, които са свързани един до друг; мястото, където са свързани, винаги ще бъде основата ( Фиг.3 ).

ориз. 3 – Схеми за замяна на транзистори с диоди

Транзисторен ключ. Схеми за превключване.

Схеми за свързване на транзистори с различни полупроводникови структури са показани в ориз. 4 . Преходът между база и емитер се нарича емитер преход, а преходът между база и колектор се нарича колекторен преход. За да се включи (отвори) транзистора, е необходимо колекторният преход да бъде наклонен в обратна посока, а емитерът – в права посока.


ориз. 4 – Транзисторен ключ. Схеми на свързване

Захранващо напрежение U SP приложен към клемите на колектора и емитера U ке чрез товарен резистор Р до (cm. ориз. 4 ). Управляващото напрежение (контролен сигнал) се прилага между основата и излъчвателя U бае чрез токоограничаващ резистор Р b .

Когато транзисторът работи в режим на превключване, той може да бъде в две състояния. Първият е режимът на прекъсване. В този режим транзисторът е напълно затворен и напрежението между колектора и емитера е равно на напрежението на източника на захранване. Второто състояние е режимът на насищане. В този режим транзисторът е напълно отворен и напрежението между колектора и емитера е равно на спада на напрежението в стр — п – преходи и за различни транзистори е в диапазона от стотни до десети от волта.

На товарната линия на входната статична характеристика на транзистора ( ориз. 5 ) областта на насищане е на сегмента 1-2 и зоната на изрязване на сегмента 3-4 . Междинната област между тези сегменти е областта 2-3 наречен активен регион. Използва се, когато транзисторът работи в режим на усилвател.


ориз. 5 – Входна статична характеристика на транзистора

За да улесните запомнянето на полярността на връзката на източника на захранване и напрежението на управляващия сигнал, трябва да обърнете внимание на стрелката на емитера. Той показва посоката на текущия поток ( Фиг.6 ).


ориз. 6 – Път на протичане на ток през транзисторния ключ

Изчисляване на параметрите на транзисторния ключ

За пример как работи ключ, ще използваме светодиод като товар. Неговата схема на свързване е показана в ориз. 7 . Обърнете внимание на полярността на свързване на захранващи устройства и светодиоди в транзистори с различни полупроводникови структури.


ориз. 7 – Схеми за свързване на светодиоди към транзисторни ключове

Нека изчислим основните параметри на транзисторен ключ, направен на транзистор п — стр — п тип. Нека имаме следните първоначални данни:

- спад на напрежението върху светодиода Δ UVD = 2 V;

— номинален ток LED азVD= 10 mA;

— захранващо напрежение USP(обозначено на диаграмата с Uke) = 9 V;

— напрежение на входния сигнал Uслънце= 1,6 V.

Сега нека да погледнем отново диаграмата, показана в ориз. 7 . Както виждаме, остава да се определи съпротивлението на резисторите в базовата и колекторната верига. Транзисторът може да бъде избран от всяка биполярна съответна полупроводникова структура. Да вземем за пример съветския транзистор. п — стр — п тип MP111B.

Изчисляване на съпротивлението в колекторната верига на транзистора

Съпротивлението в колекторната верига е проектирано да ограничава тока, който протича през светодиода VD , както и за защита на самия транзистор от претоварване. Защото, когато транзисторът се отвори, токът в неговата верига ще бъде ограничен само от съпротивлението на светодиода VD и резистор Р до .

Да определим съпротивлението Р до . То е равно на спада на напрежението върху него Δ U Р до разделено на тока в колекторната верига аз до :


Така че първоначално задаваме колектора - това е номиналният ток на светодиода. Не трябва да превишава аз k=10mA .

Сега нека намерим спада на напрежението върху резистора Р до . То е равно на напрежението на захранването U SP (U ке ) минус спада на напрежението върху светодиода Δ U VD и минус спада на напрежението на транзистора ΔU ке :

Спадът на напрежението на светодиода, както и напрежението на захранването са първоначално зададени и равни съответно на 0,2V и 9V. Падане на напрежение за транзистор MP111B, както и за други Съветски транзистори, вземаме равни около 0,2 B. За съвременните транзистори (например BC547, BC549, N2222 и други) спадът на напрежението е около 0,05 V и по-долу.

Спадът на напрежението върху транзистора може да бъде измерен, когато е напълно отворен, между клемите на колектора и емитера, и изчислението може да се коригира по-късно. Но, както ще видим по-късно, съпротивлението на колектора може да бъде избрано с помощта на по-прост метод.

Съпротивлението в колекторната верига е:

Изчисляване на съпротивлението в транзисторната базова верига

Сега просто трябва да определим основното съпротивление Р b . То е равно на спада на напрежението върху самото съпротивление ΔURb разделено на базовия ток аз b :


Спадът на напрежението в основата на транзистора е равен на напрежението на входния сигнал Uvs минус спада на напрежението през прехода база-емитер ΔUbe . Напрежението на входния сигнал е посочено в изходните данни и е равно на 1,6 V. Спадът на напрежението между основата и емитера е около 0,6 V.

След това намираме базовия ток ib . Той е равен на тока на колектора ib разделено на текущото усилване на транзистора β . Печалбата за всеки транзистор е дадена в таблици с данни или справочници. Още по-лесно е да разберете смисъла β Можете да използвате мултицет. Дори най-простият мултиметър има тази функция. За даден транзистор β=30 . С модерни транзистори β равно на около 300...600 единици.

Сега можем да намерим необходимото базово съпротивление.

По този начин, използвайки горния метод, можете лесно да определите необходимите стойности на резистора в базовите и колекторните вериги. Трябва обаче да запомните, че изчислените данни не винаги ви позволяват да определите точно стойностите на резистора. Следователно е по-добре експериментално да прецизирате ключа и изчисленията са необходими само за първоначалната оценка, тоест те помагат да се стесни диапазонът на избор на стойности на резистора.

За да определите стойностите на резистора, трябва да включите променлив резистори чрез промяна на стойността му се получават необходимите стойности на базовия и колекторния ток ( ориз. 8 ).


ориз. 8 – Схема за свързване на променливи резистори

Препоръки за избор на транзистори за електронни ключове

    Номиналното напрежение между колектор и емитер, което е указано от производителя, трябва да бъде по-високо от напрежението на захранването.

    Номиналният колекторен ток, който също е посочен от производителя, трябва да бъде по-актуалентовари.

    Необходимо е да се гарантира, че токът и напрежението на базата на транзистора не надвишават допустимите стойности.

  1. Също така напрежението в основата в режим на насищане не трябва да бъде по-ниско от минималната стойност, в противен случай транзисторният ключ ще работи нестабилно.

Транзисторният ключ е основният елемент на цифровите електронни устройства и много силови електронни устройства. Параметрите и характеристиките на транзисторния ключ в много голяма степен определят свойствата на съответните вериги.

Включва биполярни транзистори . Най-простият превключвател на биполярен транзистор, свързан във верига с общ емитер, и съответната времева диаграма на входното напрежение са представени на фиг. 14.5.

ориз. 14.5. Биполярен транзисторен ключ

Нека разгледаме работата на транзисторен превключвател в стабилни състояния. До момент във времето t 1 Емитерният преход на транзистора е заключен и транзисторът е в режим на прекъсване. В този режим аз до =– аз b =аз ко (аз ко– обратен колекторен ток), аз ъъъ≈ 0. Освен това u Р b ≈u Р до ≈ 0;u бае ≈ –U 2 ;u ке ≈–Е до .

Междувременно t 1 …t 2 транзисторът е отворен. За да може напрежението на транзистора u кебеше минимално, напрежението U 1 обикновено се избира така, че транзисторът да е или в режим на насищане, или в граничен режим, много близък до режим на насищане.

Полеви транзисторни ключове характеризиращ се с ниско остатъчно напрежение. Те могат да превключват слаби сигнали (няколко микроволта или по-малко). Това е следствие от факта, че изходните характеристики на транзисторите с полеви ефекти преминават през произхода.

Например, нека изобразим изходните характеристики на транзистор с контролен преход и канал стр-тип в региона, съседен на произхода (фиг. 14.6).

ориз. 14.6. Полеви транзисторс p-тип канал

Моля, обърнете внимание, че характеристиките в третия квадрант съответстват на посочените напрежения между гейта и дренажа.

В статично състояние превключвателят на полевия транзистор консумира много малко управляващ ток. Този ток обаче се увеличава с увеличаване на честотата на превключване. Много високото входно съпротивление на ключовете на полеви транзистори реално осигурява галванична изолация на входните и изходните вериги. Това ви позволява да правите без трансформатори в управляващите вериги.

На фиг. Фигура 14.7 показва диаграма на цифров превключвател, базиран на MOS транзистор с индуциран канал п-тип и съпротивителен товар и съответните времедиаграми.


ориз. 14.7. Цифров ключ на транзистор с полеви ефекти

Диаграмата показва товароносимостта СЪС п, който моделира капацитета на устройства, свързани към транзисторен ключ. Очевидно, когато входният сигнал е нула, транзисторът е изключен и u си =д с. Ако напрежението uin е по-голямо от праговото напрежение U зимен прагтранзистор, след което се отваря и напрежението u синамалява.

Логически елементи

Логически елемент (логическа врата) е електронна схема, която изпълнява някои прости логическа операция. На фиг. 14.8 показва примери за конвенционални графични символи на някои логически елементи.

ориз. 14.8. Логически елементи

Логическият елемент може да бъде изпълнен като отделна интегрална схема. Често една интегрална схема съдържа няколко логически елемента.

Логическите портове се използват в цифрови електронни устройства (логически устройства) за извършване на просто преобразуване на логически сигнали.

Класификация на логическите елементи. Разграничават се следните класове логически елементи (т.нар. логики):

    резисторно-транзисторна логика (TRL);

    диодно-транзисторна логика (DTL);

    транзистор-транзисторна логика (TTL);

    емитер-транзисторна логика (ETL);

    транзисторно-транзисторна логика с диоди на Шотки (TTLS);

    r(r- MDP);

    логика, базирана на MOS транзистори с канали като п(п- MDP);

    логика, базирана на допълнителни ключове на MOS транзистори (CMOS, CMOS);

    интегрирана инжекционна логика I 2 L;

    логика, базирана на полупроводников галиев арсенид GaAs.

В момента най-широко използваните логики са: TTL, TTLSh, CMOS, ESL. Логически елементи и други цифрови електронни устройства се произвеждат като част от следните серии микросхеми: TTL – K155, KM155, K133, KM133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533; ESL – 100, K500, K1500; CMOS – 564, K561, 1564, KR1554; GaAs–K6500.

Повечето важни параметрилогически елементи:

    Производителността се характеризира с времето на забавяне на разпространението на сигнала t spи максимална работна честота Е Макс. U Времето на забавяне обикновено се определя от разликите в нивата от 0,5вход U и 0.5Δнавън Е Макс.

    Максимална работна честота – това е честотата, при която веригата остава работеща. Товароносимостта се характеризира с входящия интеграционен коефициент ДО – това е честотата, при която веригата остава работеща. Товароносимостта се характеризира с входящия интеграционен коефициентоколо – това е честотата, при която веригата остава работеща. (понякога се използва терминът „коефициент на обединяване на изхода“).величина – това е честотата, при която веригата остава работеща. Товароносимостта се характеризира с входящия интеграционен коефициент =2…8,– това е честотата, при която веригата остава работеща. (понякога се използва терминът „коефициент на обединяване на изхода“).е броят на логическите входове, стойността – това е честотата, при която веригата остава работеща. (понякога се използва терминът „коефициент на обединяване на изхода“). =20…30.

    веднъж U – максималният брой подобни логически елементи, които могат да бъдат свързани към изхода на даден логически елемент. Типичните им значения са:=4...10. За елементи с повишена товароносимостУстойчивостта на шум в статичен режим се характеризира с напрежение

    Мощността, консумирана от микросхемата от захранването. Ако тази мощност е различна за две логически състояния, тогава често се отчита средната консумация на енергия за тези състояния.

    Захранващо напрежение.

    Въведете високо и ниско прагово напрежение U input1thresholdИ U input0threshold, съответстваща на промяна в състоянието на логическия елемент.

    Изходни напрежения високи и ниски нива U изход1И U изход0 .

Използват се и други параметри.

Характеристики на логическите елементи на различни логики. Специфична серия от микросхеми се характеризира с използването на стандартен електронен блок - основен логически елемент. Този елемент е в основата на изграждането на голямо разнообразие от цифрови електронни устройства.

    Основен TTL елемент съдържа мулти-емитер транзистор, който изпълнява логическа операция И и сложен инвертор (фиг. 14.9).


ориз. 14.9. Основен TTL елемент

Ако ниско ниво на напрежение се приложи едновременно към единия или двата входа, тогава транзисторът с множество емитери е в състояние на насищане и транзисторът T 2 е затворен, и следователно транзисторът T 4 също е затворен, т.е. изходът ще има високо ниво на напрежение . Ако високо ниво на напрежение се приложи едновременно към двата входа, тогава транзисторът T 2 се отваря и влиза в режим на насищане, което води до отваряне и насищане на транзистора T 4 и изключване на транзистора T 3, т.е. Реализирана е функцията И-НЕ. За увеличаване на скоростта на TTL елементите се използват транзистори с диоди или транзистори на Шотки.

    Основен логически елемент TTLSH (използвайки примера на серията K555). като базов елементИзползван елемент от серия чипове K555

И-НЕ (фиг. 14.10, А), а на фиг. 14.10, bе показано графично представяне на транзистор на Шотки.


ориз. 14.10. Логически елемент TTLSH

Транзисторът VT4 е обикновен биполярен транзистор. Ако и двете входни напрежения u вход1И u vx2 са на високо ниво, след това диодите VD3 и VD4 са затворени, транзисторите VT1, VT5 са отворени и има ниско ниво на напрежение на изхода. Ако поне един вход има ниско ниво на напрежение, тогава транзисторите VT1 и VT5 са затворени, а транзисторите VT3 и VT4 са отворени и има ниско ниво на напрежение на входа. Микросхемите TTLSh от серията K555 се характеризират със следните параметри:

    захранващо напрежение +5 IN;

    ниско ниво на изходно напрежение не повече от 0,4 IN;

    изходно напрежение високо нивоне по-малко от 2,5 IN;

    устойчивост на шум - не по-малко от 0,3 V;

    средно време на забавяне на разпространението на сигнала 20 ns;

    максимална работна честота 25 MHz.

Характеристики на други логики. Основата на основния логически елемент на ESL е токов ключ, чиято схема е подобна на тази на диференциален усилвател. Микросхемата ESL се захранва от отрицателно напрежение (–4 INза серия K1500). Транзисторите на тази микросхема не влизат в режим на насищане, което е една от причините за високата производителност на ESL елементите.

В микросхеми п-MOS и стр-MOS ключове се използват съответно на MOS транзистори с п-канали и динамично натоварване и на MOS транзистори с стр-канал. За да се елиминира консумацията на енергия от логически елемент в статично състояние, се използват допълнителни MIS логически елементи (CMDP или CMOS логика).

Логиката, базирана на полупроводник от галиев арсенид GaAs, се характеризира с най-висока производителност, което е следствие от висока подвижност на електрони (3...6 пъти повече в сравнение със силиция). Базираните на GaAs микросхеми могат да работят на честоти от порядъка на 10 GHz.

За какъв товар говорим? Да, за всякакви - релета, електрически крушки, соленоиди, двигатели, няколко светодиода наведнъж или мощен LED прожектор. Накратко, всичко, което консумира повече от 15 mA и/или изисква захранващо напрежение над 5 волта.

Вземете например реле. Нека да е BS-115C. Токът на намотката е около 80 mA, напрежението на намотката е 12 волта. Максимално напрежениеконтакти 250V и 10A.

Свързването на реле към микроконтролер е задача, която е възникнала за почти всички. Един от проблемите е, че микроконтролерът не може да осигури необходимата мощност за нормална работа на бобината. Максимален токпрез който изходът на контролера може да премине, рядко надвишава 20 mA и това все още се счита за страхотно - мощен изход. Обикновено не повече от 10mA. Да, нашето напрежение тук не е по-високо от 5 волта, а релето изисква цели 12. Има, разбира се, релета с пет волта, но те консумират повече от два пъти повече ток. Общо взето, където и да целунеш реле, това е дупе. какво да правя

Първото нещо, което идва на ум, е да инсталирате транзистор. Правилното решение е, че транзисторът може да бъде избран за стотици милиампери или дори ампери. Ако един транзистор липсва, тогава те могат да се включват каскадно, когато слабият отваря по-силния.

Тъй като сме приели, че 1 е включено, а 0 е изключено (това е логично, въпреки че противоречи на дългогодишния ми навик, произлязъл от архитектурата AT89C51), тогава 1 ще захранва, а 0 ще премахва товара. Да вземем биполярен транзистор. Релето изисква 80 mA, така че търсим транзистор с колекторен токповече от 80mA. В импортираните таблици с данни този параметър се нарича Ic, в нашия Ic първото нещо, което ми дойде на ум, беше KT315 - съветски транзистор шедьовър, който се използваше почти навсякъде :) Такъв оранжев. Струва не повече от една рубла. Той също така ще наеме KT3107 с произволен буквен индекс или внесен BC546 (както и BC547, BC548, BC549). За транзистор, на първо място, е необходимо да се определи целта на терминалите. Къде е колекторът, къде е базата и къде е емитерът. Това се прави най-добре с помощта на лист с данни или справочник. Ето, например, част от листа с данни:

Ако го погледнете лицева страна, този с надписите, и задръжте с краката надолу, след това изводите, отляво надясно: Емитер, Колектор, База.

Взимаме транзистора и го свързваме според тази схема:

Колектора към товара, излъчвателя, този със стрелката, към земята. И основата към изхода на контролера.

Транзисторът е усилвател на ток, тоест, ако прекараме ток през веригата база-емитер, тогава през веригата колектор-емитер може да премине ток, равен на входа, умножен по усилването h fe.
h fe за този транзистор е няколкостотин. Около 300, не помня точно.

Максималното изходно напрежение на микроконтролера, когато се подава към порта на устройството = 5 волта (спадът на напрежението от 0,7 волта на кръстовището база-емитер може да бъде пренебрегнат тук). Съпротивлението в основната верига е 10 000 ома. Това означава, че токът, според закона на Ом, ще бъде равен на 5/10000 = 0,0005A или 0,5mA - напълно незначителен ток, от който контролерът дори няма да се поти. И изходът в този момент от времето ще бъде I c =I be *h fe =0,0005*300 = 0,150A. 150mA е повече от 100mA, но това просто означава, че транзисторът ще се отвори широко и ще изведе максимума, който може. Това означава, че нашата релюха ще получи пълноценно хранене.

Всички ли са доволни, всички ли са доволни? Но не, тук има неприятности. В реле бобина се използва като задвижващ механизъм. И бобината има силна индуктивност, така че е невъзможно рязко прекъсване на тока в нея. Ако се опитате да направите това, потенциалната енергия, натрупана в електромагнитното поле, ще излезе на друго място. При нулев ток на прекъсване това място ще бъде напрежението - при рязко прекъсване на тока ще има мощен скок на напрежение в бобината, стотици волта. Ако токът бъде прекъснат от механичен контакт, ще има въздушен пробив - искра. И ако го отрежете с транзистор, той просто ще бъде унищожен.

Трябва да направим нещо, някъде да вложим енергията на бобината. Няма проблем, ще го затворим за себе си, като инсталираме диод. При нормална работа диодът е включен срещу напрежението и през него не протича ток. И когато е изключен, напрежението върху индуктивността ще бъде в другата посока и ще премине през диода.

Вярно е, че тези игри с пренапрежения на напрежението имат неприятен ефект върху стабилността на захранващата мрежа на устройството, така че има смисъл да завиете електролитен кондензатор от още сто микрофарада близо до намотките между плюса и минуса на захранването. Той ще поеме повечето отпулсации.

красота! Но вие можете да направите още по-добре - да намалите консумацията си. Релето има доста голям ток на прекъсване, но токът на задържане на котвата е три пъти по-малък. Зависи от вас, но аз съм притиснат от жабата да храня макарата повече, отколкото заслужава. Това означава консумация на отопление и енергия и много повече. Също така вземаме и вмъкваме във веригата полярен кондензатор от десет микрофарада с резистор. Какво се случва сега:

Когато транзисторът се отвори, кондензаторът C2 все още не е зареден, което означава, че в момента на зареждането той представлява почти късо съединениеи токът протича през бобината без ограничения. Не за дълго, но това е достатъчно, за да счупи арматурата на релето от мястото му. Тогава кондензаторът ще се зареди и ще се превърне в отворена верига. И релето ще се захранва през резистор за ограничаване на тока. Резисторът и кондензаторът трябва да бъдат избрани по такъв начин, че релето да работи ясно.
След като транзисторът се затвори, кондензаторът се разрежда през резистора. Това води до обратния проблем - ако незабавно се опитате да включите релето, когато кондензаторът все още не е разреден, тогава може да няма достатъчно ток за дръпване. Така че тук трябва да помислим с каква скорост ще щрака релето. Кондерът, разбира се, ще се разреди за част от секундата, но понякога това е твърде много.

Нека добавим още един ъпгрейд.
Когато релето се отвори, енергията магнитно полесе освобождава през диода, само в същото време токът продължава да тече в бобината, което означава, че продължава да държи арматурата. Времето между премахването на контролния сигнал и загубата на контактната група се увеличава. Западло. Необходимо е да се направи пречка за протичане на ток, но такава, че да не убива транзистора. Нека включим ценеров диод с напрежение на отваряне под граничното напрежение на пробив на транзистора.
От част от листа с данни може да се види, че максималното напрежение колектор-база за BC549 е 30 волта. Завинтваме ценеровия диод за 27 волта - печалба!

В резултат на това осигуряваме скок на напрежението на бобината, но той е контролиран и под критичната точка на пробив. По този начин ние значително (с няколко пъти!) намаляваме забавянето при изключване.

Сега можете да се протегнете доволни и да започнете болезнено да чешете ряпата си, за да разберете как да поставите всички тези боклуци върху печатна платка... Трябва да търсим компромиси и да оставим само необходимото в дадена схема. Но това е инженерен инстинкт и идва с опита.

Разбира се, вместо реле може да включите крушка и соленоид, че и моторче, ако го носи тока. За пример е взето релето. Е, разбира се, електрическата крушка не изисква целия комплект диод-кондензатор.

Стига толкова засега. Следващият път ще ви разкажа за модулите Darlington и MOSFET превключвателите.



Препоръчваме за четене