Chiavi elettroniche. Una chiave elettronica su un transistor: il principio di funzionamento e il circuito.

Le chiavi dei transistor costruite su transistor bipolari o ad effetto di campo sono suddivise in saturi e insaturi, così come le chiavi MOS e le chiavi sui transistor ad effetto di campo con una giunzione pn di controllo. Tutti gli interruttori a transistor possono funzionare in due modalità: statica e dinamica.

Sulla loro base, il TC si basa sul principio di funzionamento di trigger, multivibratori, interruttori, generatori di blocco e molti altri elementi. A seconda dello scopo e delle caratteristiche dell'operazione, gli schemi TC possono differire l'uno dall'altro.

Il TC è progettato per commutare i circuiti di carico sotto l'influenza di segnali di controllo esterni, vedere lo schema sopra. Qualsiasi TC svolge le funzioni di un tasto ad alta velocità e ha due stati principali: aperto, corrisponde alla modalità di interruzione del transistor (VT - chiuso) e chiuso, caratterizzato da una modalità di saturazione o da una modalità vicina ad essa. Durante l'intero processo di commutazione, il TC funziona in modalità attiva.

Considera il funzionamento di una chiave basata su un transistor bipolare. Se non c'è tensione sulla base rispetto all'emettitore, il transistor è chiuso, non scorre corrente attraverso di esso, l'intera tensione di alimentazione è sul collettore, ad es. livello massimo del segnale.

Non appena un segnale elettrico di controllo arriva alla base del transistor, questo si apre, la corrente di collettore-emettitore inizia a fluire e la tensione scende attraverso la resistenza interna del collettore, quindi la tensione di collettore e con essa la tensione al uscita del circuito, diminuire a basso livello.

Per esercitarci, raccoglieremo un semplice circuito interruttore a transistor su un transistor bipolare. Per questo utilizziamo un transistor bipolare KT817, un resistore nel circuito di alimentazione del collettore con un valore nominale di 1 kOhm e all'ingresso con una resistenza di 270 Ohm.

Nello stato aperto del transistor all'uscita del circuito, abbiamo la piena tensione della fonte di alimentazione. Quando viene ricevuto un segnale all'ingresso di controllo, la tensione sul collettore è limitata al minimo, intorno a 0,6 volt.

Inoltre, TC può essere implementato anche su transistor ad effetto di campo. Il principio del loro funzionamento è quasi lo stesso, ma non consumano molta meno corrente di controllo e inoltre forniscono l'isolamento galvanico delle parti di ingresso e uscita, ma perdono notevolmente di velocità rispetto a quelle bipolari. Le chiavi a transistor sono utilizzate in quasi tutte le gamme di dispositivi elettronici radio, interruttori di segnali analogici e digitali, sistemi di automazione e controllo, nei moderni elettrodomestici, ecc.

Per la commutazione di carichi nei circuiti corrente alternataè meglio usare potente FET. Questa classe di semiconduttori è rappresentata da due gruppi. Il primo include ibridi: transistor bipolari a gate isolato - IGBT o. Il secondo include i classici transistor di campo (canale). Considera come argomento di studio funzionamento di un interruttore di carico per una rete di tensione alternata di 220 volt su un potente TV di campo tipo KP707

Questo design consente di disaccoppiare galvanicamente i circuiti di controllo e il circuito a 220 volt. Gli optoaccoppiatori TLP521 sono stati utilizzati come disaccoppiamento. Quando non c'è tensione ai terminali di ingresso, il LED dell'accoppiatore ottico è spento, il transistor integrato dell'accoppiatore ottico è chiuso e non devia il gate dei potenti transistor di commutazione. Pertanto, sulle loro porte è presente una tensione di apertura pari al livello della tensione di stabilizzazione del diodo zener VD1. In questo caso, i lavoratori sul campo sono aperti e lavorano a turno, a seconda della polarità del periodo di tensione alternata all'ora corrente. Diciamo che c'è un 4 sull'output e un meno sul 3. Quindi la corrente di carico passa dal terminale 3 al 5, attraverso il carico e al 6, quindi attraverso il diodo di protezione interno VT2, attraverso il VT1 aperto al terminale 4. Quando si modifica il periodo, la corrente di carico scorre attraverso il diodo del transistor VT1 e aprire VT2. Gli elementi circuitali R3, R3, C1 e VD1 sono un alimentatore senza trasformatore. Il valore del resistore R1 corrisponde al livello di tensione di ingresso di cinque volt e può essere modificato se necessario. Quando viene ricevuto un segnale di controllo, il LED nell'accoppiatore ottico si accende e devia i gate di entrambi i transistor. Nessuna tensione è applicata al carico.

Di che carico parli? Sì, su qualsiasi: relè, lampadine, solenoidi, motori, più LED contemporaneamente o un faretto LED ad alta potenza. Insomma, tutto ciò che consuma più di 15mA e/o richiede una tensione di alimentazione superiore a 5 volt.

Prendi, ad esempio, un relè. Lascia che sia BS-115C. La corrente di avvolgimento è di circa 80 mA, la tensione di avvolgimento è di 12 volt. Tensione massima contatti 250V e 10A.

Collegare un relè a un microcontrollore è un compito che quasi tutti avevano. Un problema è che il microcontrollore non può fornire la potenza necessaria per il normale funzionamento della bobina. Corrente massima che può passare attraverso se stesso l'uscita del controller raramente supera i 20 mA e questo è ancora considerato interessante: un'uscita potente. Di solito non più di 10 mA. Sì, la tensione qui non è superiore a 5 volt e il relè ne ha bisogno fino a 12. Ci sono, ovviamente, relè per cinque volt, ma la corrente viene consumata il doppio. In generale, dove la staffetta non si bacia, ovunque il culo. Cosa fare?

La prima cosa che viene in mente è mettere un transistor. La decisione giusta: un transistor può essere selezionato per centinaia di milliampere o addirittura ampere. Se manca un transistor, possono essere accesi in cascata, quando uno debole ne apre uno più forte.

Poiché abbiamo assunto che 1 sia acceso e 0 sia spento (questo è logico, sebbene contraddica la mia vecchia abitudine derivante dall'architettura AT89C51), allora 1 fornirà alimentazione e 0 rimuoverà il carico. Prendiamo un transistor bipolare. Il relè richiede 80 mA, quindi stiamo cercando un transistor con una corrente di collettore superiore a 80 mA. Nei fogli dati importati, questo parametro è chiamato I c, nel nostro I K. La prima cosa che mi è venuta in mente è KT315, un transistor sovietico capolavoro che è stato utilizzato quasi ovunque :) Così arancione. Non costa più di un rublo. Funzionerà anche KT3107 con qualsiasi indice di lettere o BC546 importato (così come BC547, BC548, BC549). In un transistor, prima di tutto, è necessario determinare lo scopo delle conclusioni. Dov'è il collettore, dov'è la base e dov'è l'emettitore. È meglio farlo in base alla scheda tecnica o al libro di riferimento. Ecco un esempio dal datasheet:

Se guardi il suo lato anteriore, quello con le iscrizioni, e tieni le gambe abbassate, allora le conclusioni, da sinistra a destra: Emettitore, Collettore, Base.

Prendiamo un transistor e lo colleghiamo secondo il seguente schema:

Il collettore al carico, l'emettitore, quello con la freccia, a terra. E la base all'uscita del controller.

Un transistor è un amplificatore di corrente, cioè se passiamo una corrente attraverso il circuito Base-Emettitore, allora una corrente uguale all'ingresso moltiplicato per il guadagno h fe può passare attraverso il circuito Collettore-Emettitore.
h fe per questo transistor è di diverse centinaia. Qualcosa come 300, non ricordo esattamente.

La massima tensione di uscita del microcontrollore quando applicata alla porta dell'unità = 5 volt (la caduta di tensione di 0,7 volt alla giunzione Base-Emettitore può essere trascurata qui). La resistenza nel circuito di base è di 10.000 ohm. Ciò significa che la corrente, secondo la legge di Ohm, sarà pari a 5/10000=0,0005 A o 0,5 mA, una corrente del tutto insignificante dalla quale il controller non suderà nemmeno. E l'output in questo momento sarà I c \u003d I be * h fe \u003d 0,0005 * 300 \u003d 0,150A. 150 mA è più di 100 mA, ma ciò significa solo che il transistor si aprirà completamente e emetterà il massimo possibile. Quindi la nostra staffetta riceverà cibo per intero.

Sono tutti felici, sono tutti felici? Ma no, c'è un casino qui. In un relè, una bobina viene utilizzata come elemento di azionamento. E la bobina ha un'induttanza piuttosto forte, quindi è impossibile interrompere bruscamente la corrente al suo interno. Se provi a farlo, l'energia potenziale accumulata nel campo dell'elettromagnete uscirà in un altro punto. A corrente di interruzione zero, questo posto sarà tensione - con una brusca interruzione della corrente, ci sarà un potente aumento di tensione sulla bobina, centinaia di volt. Se la corrente viene interrotta da un contatto meccanico, si verificherà un'interruzione dell'aria: una scintilla. E se lo tagli con un transistor, lo ucciderà semplicemente.

È necessario fare qualcosa, da qualche parte per mettere l'energia della bobina. Non è un problema, chiudilo a te stesso mettendo un diodo. Durante il normale funzionamento, il diodo è acceso opposto alla tensione e non scorre corrente attraverso di esso. E quando spegni la tensione attraverso l'induttanza sarà nella direzione opposta e passerà attraverso il diodo.

È vero, questi giochi con picchi di tensione influiscono negativamente sulla stabilità della rete di alimentazione del dispositivo, quindi ha senso avvitare un condensatore elettrolitico per altri cento microfarad vicino alle bobine tra il più e il meno dell'alimentatore. Prenderà il sopravvento più pulsazioni.

La bellezza! Ma puoi fare ancora meglio: riduci i consumi. Il relè ha una corrente di rottura piuttosto elevata, ma la corrente di mantenimento dell'armatura è inferiore a tre volte. Chi se ne frega, ma il rospo mi schiaccia per nutrire la bobina più di quanto meriti. Dopotutto, questo è il riscaldamento e il consumo di energia e molto altro. Prendiamo e inseriamo anche nel circuito un condensatore polare per una dozzina di altri microfarad con un resistore. Che succede ora:

Quando il transistor è aperto, il condensatore C2 non è ancora carico, il che significa che al momento della sua carica è quasi un cortocircuito e la corrente attraverso la bobina passa senza restrizioni. Non per molto, ma questo è sufficiente per rompere l'armatura del relè dal suo posto. Quindi il condensatore si caricherà e si trasformerà in un'interruzione. E il relè sarà alimentato tramite un resistore limitatore di corrente. Il resistore e il condensatore devono essere selezionati in modo tale che il relè funzioni chiaramente.
Dopo che il transistor si chiude, il condensatore viene scaricato attraverso il resistore. Da ciò segue un contatore zapadlo: se provi immediatamente ad accendere il relè, quando il condensatore non è ancora stato scaricato, la corrente per uno strappo potrebbe non essere sufficiente. Quindi qui dobbiamo pensare a quale velocità scatterà il relè. Conder, ovviamente, verrà scaricato in una frazione di secondo, ma a volte questo è molto.

Aggiungiamo un altro aggiornamento.
Quando il relè si apre, l'energia campo magnetico viene spurgato attraverso il diodo, solo allo stesso tempo la corrente continua a fluire nella bobina, il che significa che continua a tenere l'ancora. Il tempo tra la rimozione del segnale di controllo e la caduta del gruppo di contatti aumenta. Zapadlo. È necessario creare un ostacolo al flusso di corrente, ma tale da non uccidere il transistor. Colleghiamo un diodo zener con una tensione di apertura inferiore alla tensione di rottura limite del transistor.
Da un foglio dati si può vedere che la tensione limite del collettore-base (tensione collettore-base) per il BC549 è di 30 volt. Avvitiamo un diodo zener da 27 volt - Profitto!

Di conseguenza, forniamo un picco di tensione sulla bobina, ma è controllato e al di sotto del punto critico di rottura. Pertanto, riduciamo in modo significativo (a volte!) Il ritardo di spegnimento.

Ora puoi allungarti abbastanza e iniziare a grattare dolorosamente le tue rape sull'argomento di come posizionare tutta questa spazzatura scheda a circuito stampato... Dobbiamo cercare compromessi e lasciare solo ciò che è necessario in questo schema. Ma questo è già un talento ingegneristico e viene fornito con l'esperienza.

Ovviamente, invece di un relè, puoi collegare una lampadina e un solenoide, e persino un motore, se passa attraverso la corrente. Il relè è preso come esempio. E, naturalmente, l'intero kit diodo-condensatore non è richiesto per la lampadina.

Per ora basta. La prossima volta parlerò degli assiemi Darlington e delle chiavi MOSFET.

L'interruttore a transistor è il componente principale nella tecnologia del convertitore di impulsi. Negli schemi di tutti fonti di impulso alimentatori, che hanno quasi completamente sostituito gli alimentatori a trasformatore, vengono utilizzati interruttori a transistor. Esempi di tali alimentatori sono blocchi informatici cibo, dispositivo di ricarica telefoni, laptop, tablet, ecc. Le chiavi a transistor hanno sostituito i relè elettromagnetici, poiché presentano un vantaggio così importante come l'assenza di parti meccaniche in movimento, che aumenta l'affidabilità e la durata della chiave. Inoltre, la velocità di accensione e spegnimento degli interruttori elettronici a semiconduttore è molto più elevata della velocità dei relè elettromagnetici.

Inoltre, un interruttore a transistor viene spesso utilizzato per accendere / spegnere (commutare) un carico di potenza significativa al segnale del microcontrollore.

L'essenza della chiave elettronica è controllarla ad alta potenza tramite un segnale a bassa potenza.

Esistono interruttori a semiconduttore basati su transistor, tiristori, triac. Tuttavia, questo articolo discute il funzionamento di una chiave elettronica su un transistor bipolare. In articoli successivi verranno presi in considerazione altri tipi di interruttori a semiconduttore.

A seconda della struttura del semiconduttore, i transistor bipolari sono divisi in due tipi: p — n — p e n — p — n genere ( Riso. uno ).

Riso. 1 - Strutture dei transistor bipolari

Nei circuiti, i transistor bipolari sono designati come mostrato in Riso. 2 . Il terminale centrale è chiamato base, il terminale con la "freccia" è l'emettitore, il terminale rimanente è il collettore.

Riso. 2 - Designazione dei transistor nei circuiti

Inoltre, i transistor possono essere rappresentati condizionatamente sotto forma di due diodi, che sono collegati schiena contro schiena, la loro giunzione sarà sempre la base ( fig.3 ).

Riso. 3 - Schemi per la sostituzione dei transistor con diodi

chiave a transistor. Schemi di inclusione.

Sono mostrati circuiti di commutazione per transistor di varie strutture a semiconduttore Riso. 4 . La giunzione tra la base e l'emettitore è chiamata giunzione dell'emettitore, mentre la giunzione tra la base e il collettore è chiamata giunzione del collettore. Per accendere (aprire) il transistor, è necessario che la giunzione del collettore sia polarizzata nella direzione opposta e l'emettitore nella direzione in avanti.

Riso. 4 - Tasto transistor. Schemi di commutazione

Tensione di alimentazione U un applicato ai terminali di collettore ed emettitore U ke attraverso una resistenza di carico R a (cm. Riso. 4 ). La tensione di controllo (segnale di controllo) viene applicata tra base ed emettitore U bae attraverso un resistore limitatore di corrente R b .

Quando il transistor funziona in modalità chiave, può trovarsi in due stati. Il primo è la modalità cutoff. In questa modalità, il transistor è completamente chiuso e la tensione tra il collettore e l'emettitore è uguale alla tensione dell'alimentatore. Il secondo stato è la modalità di saturazione. In questa modalità, il transistor è completamente acceso e la tensione tra il collettore e l'emettitore è uguale alla caduta di tensione ai capi p — n - transizioni e per vari transistor è compreso tra centesimi e decimi di volt.

Sul carico ingresso diretto caratteristiche statiche del transistor ( Riso. cinque ) la regione di saturazione è sul segmento 1-2 e la regione di taglio sul segmento 3-4 . La regione intermedia tra questi segmenti è la regione 2-3 chiamata regione attiva. È guidato quando il transistor funziona in modalità amplificatore.

Riso. 5 - Ingresso caratteristica statica del transistor

Per ricordare più facilmente la polarità del collegamento dell'alimentazione e della tensione del segnale di controllo, prestare attenzione alla freccia dell'emettitore. Indica la direzione del flusso di corrente ( fig.6 ).

Riso. 6 - Il percorso del flusso di corrente attraverso l'interruttore a transistor

Calcolo dei parametri dell'interruttore a transistor

Per un esempio del funzionamento di una chiave, utilizzeremo un LED come carico. Il suo schema di collegamento è mostrato in Riso. 7 . Prestare attenzione alla polarità del collegamento degli alimentatori e del LED nei transistor di diverse strutture a semiconduttore.

Riso. 7 - Schemi per il collegamento di un LED a interruttori a transistor

Calcoliamo i parametri principali di un interruttore a transistor realizzato su un transistor n — p — n genere. Diamo i seguenti dati iniziali:

- caduta di tensione attraverso il LED Δ UVD = 2 V;

— corrente nominale PORTATO ioVD= 10 mA;

- tensione di alimentazione Uun(segnato sul diagramma Uke) = 9 v;

- tensione del segnale di ingresso Usole= 1,6 V.

Ora diamo un'altra occhiata al diagramma mostrato in Riso. 7 . Come possiamo vedere, resta da determinare la resistenza dei resistori nei circuiti di base e collettore. Il transistor può scegliere qualsiasi struttura a semiconduttore corrispondente bipolare. Prendiamo ad esempio il transistor sovietico n — p — n genere MP111B.

Calcolo della resistenza nel circuito del collettore del transistor

La resistenza nel circuito del collettore è progettata per limitare la corrente che scorre attraverso il LED. VD , nonché per la protezione da sovraccarico del transistor stesso. Poiché quando il transistor si apre, la corrente nel suo circuito sarà limitata solo dalla resistenza del LED VD e resistenza R a .

Definiamo la resistenza R a . È uguale alla caduta di tensione ai suoi capi Δ U R a diviso per la corrente nel circuito del collettore io a :

Quindi il collettore è stato inizialmente impostato da noi, questa è la corrente nominale del LED. Non deve superare io k=10mA .

Ora trova la caduta di tensione attraverso il resistore R a . È uguale alla tensione di alimentazione U un (u ke ) meno la caduta di tensione attraverso il LED Δ U VD e meno la caduta di tensione attraverso il transistor ΔU ke :

La caduta di tensione sul LED, così come la tensione della fonte di alimentazione, sono inizialmente impostate e pari rispettivamente a 0,2 V e 9 V. La caduta di tensione per il transistor MP111B, così come per altri transistor sovietici, è considerata di circa 0,2 V. Per i transistor moderni (ad esempio BC547, BC549, N2222 e altri), la caduta di tensione è di circa 0,05 V e inferiore.

La caduta di tensione attraverso il transistor può essere misurata quando è completamente acceso, tra i terminali del collettore e dell'emettitore, e correggere ulteriormente il calcolo. Ma, come vedremo più avanti, la resistenza del collettore può essere scelta con un metodo più semplice.

La resistenza nel circuito del collettore è:

Calcolo della resistenza nel circuito di base del transistor

Ora dobbiamo determinare la resistenza della base R b . È uguale alla caduta di tensione attraverso la resistenza stessa. ΔURb diviso per la corrente di base io b :

La caduta di tensione attraverso la base del transistor è uguale alla tensione del segnale di ingresso UV meno la caduta di tensione attraverso la giunzione base-emettitore ΔUbe . La tensione del segnale di ingresso è impostata nei dati iniziali ed è pari a 1,6 V. La caduta di tensione tra la base e l'emettitore è di circa 0,6 V.

Quindi, trova la corrente di base Ib . È uguale alla corrente del collettore Ib diviso per il guadagno di corrente del transistor β . Il guadagno per ciascun transistor è indicato nei fogli dati o nei libri di riferimento. Ancora più facile conoscerne il significato β puoi usare un multimetro. Anche il multimetro più semplice ha una tale funzione. Per questo transistor b=30 . Per transistor moderni β pari a circa 300...600 unità.

Ora possiamo trovare la resistenza di base richiesta.

Pertanto, utilizzando la metodologia di cui sopra, è possibile determinare facilmente i valori di resistenza richiesti nei circuiti di base e collettore. Tuttavia, va ricordato che i dati calcolati non sempre consentono di determinare con precisione i valori del resistore. Pertanto, è meglio eseguire sperimentalmente una regolazione più fine della chiave e i calcoli sono necessari solo per la stima iniziale, ovvero aiutano a restringere l'intervallo di scelta dei valori del resistore.

Per determinare i valori del resistore, è necessario collegare in serie con i resistori di base e di collettore resistenza variabile e modificandone il valore per ottenere i valori richiesti delle correnti di base e di collettore ( Riso. otto ).

Riso. 8 - Schema per l'accensione delle resistenze variabili

Raccomandazioni per la scelta dei transistor per le chiavi elettroniche

La tensione nominale tra il collettore e l'emettitore, specificata dal produttore, deve essere superiore alla tensione dell'alimentatore.

La corrente nominale del collettore, anch'essa specificata dal produttore, deve essere più attuale carichi.

È necessario assicurarsi che la corrente e la tensione della base del transistor non superino i valori consentiti.

Inoltre, la tensione alla base in modalità saturazione non deve essere inferiore al valore minimo, altrimenti l'interruttore a transistor funzionerà in modo instabile.

Quando si lavora con schemi complessi utile è l'uso di vari accorgimenti tecnici che ti permettono di raggiungere il tuo obiettivo con poco sforzo. Uno di questi è la creazione di interruttori a transistor. Quali sono? Perché dovrebbero essere creati? Perché vengono chiamate anche "chiavi elettroniche"? Quali sono le caratteristiche di questo processo ea cosa bisogna prestare attenzione?

Di cosa sono fatti gli interruttori a transistor?

Vengono eseguiti utilizzando il campo o I primi sono ulteriormente suddivisi in MIS e chiavi, che hanno una giunzione pn di controllo. Tra quelli bipolari si distinguono quelli non saturi. Una chiave a transistor da 12 Volt sarà in grado di soddisfare le richieste di base di un radioamatore.

Modalità di funzionamento statica

Analizza lo stato privato e pubblico della chiave. Il primo ingresso contiene un livello di bassa tensione, che indica un segnale di zero logico. In questa modalità, entrambe le transizioni sono nella direzione opposta (si ottiene un taglio). E solo il termico può influenzare la corrente del collettore. Nello stato aperto all'ingresso della chiave è alto livello tensione corrispondente al segnale dell'unità logica. È possibile lavorare in due modalità contemporaneamente. Tale prestazione può trovarsi nella regione di saturazione o nella regione lineare della caratteristica di uscita. Ci soffermeremo su di loro in modo più dettagliato.

saturazione chiave

In tali casi, le giunzioni del transistor sono polarizzate direttamente. Pertanto, se la corrente di base cambia, il valore del collettore non cambierà. Nei transistor al silicio sono necessari circa 0,8 V per ottenere una polarizzazione, mentre per i transistor al germanio la tensione oscilla tra 0,2 e 0,4 V. Come si ottiene in generale la saturazione dei tasti? Ciò aumenta la corrente di base. Ma tutto ha i suoi limiti, così come la crescente saturazione. Quindi, quando viene raggiunto un certo valore di corrente, smette di aumentare. E perché eseguire la saturazione dei tasti? C'è un coefficiente speciale che mostra lo stato delle cose. Con il suo aumento, aumenta la capacità di carico degli interruttori a transistor, i fattori destabilizzanti iniziano a influenzare con meno forza, ma le prestazioni si deteriorano. Pertanto, il valore del coefficiente di saturazione viene scelto da considerazioni di compromesso, concentrandosi sull'attività che dovrà essere eseguita.

Svantaggi di una chiave insatura

E cosa succede se il valore ottimale non è stato raggiunto? Quindi ci saranno tali svantaggi:

Voltaggio chiave pubblica le gocce perderanno circa 0,5 V.
L'immunità al rumore si deteriora. Ciò è dovuto all'aumento della resistenza di ingresso che si osserva nei tasti quando sono aperti. Pertanto, le interferenze come i picchi di tensione porteranno anche a un cambiamento nei parametri dei transistor.
Una chiave satura ha una notevole stabilità della temperatura.

Come puoi vedere, questo processo è ancora meglio da eseguire per ottenere alla fine un dispositivo più avanzato.

Prestazione

Interazione con altre chiavi

Per fare ciò, vengono utilizzati elementi di comunicazione. Quindi, se il primo tasto in uscita ha un livello di tensione elevato, il secondo si apre in ingresso e funziona nella modalità specificata. E viceversa. Tale circuito di comunicazione influisce in modo significativo sui processi transitori che si verificano durante la commutazione e sulla velocità delle chiavi. Ecco come funziona un interruttore a transistor. I più comuni sono circuiti in cui l'interazione avviene solo tra due transistor. Ma questo non significa affatto che ciò non possa essere fatto da un dispositivo in cui verranno utilizzati tre, quattro o anche più elementi. Ma in pratica è difficile trovare un'applicazione per questo, quindi non viene utilizzato il funzionamento di un interruttore a transistor di questo tipo.

Cosa scegliere

Con cosa è meglio lavorare? Immaginiamo di avere un semplice interruttore a transistor, la cui tensione di alimentazione è di 0,5 V. Quindi, utilizzando un oscilloscopio, sarà possibile registrare tutte le modifiche. Se la corrente del collettore è impostata su 0,5 mA, la tensione scenderà di 40 mV (ci saranno circa 0,8 V alla base). Per gli standard del compito, possiamo dire che si tratta di una deviazione piuttosto significativa, che impone una restrizione all'uso in un'intera serie di circuiti, ad esempio negli interruttori, quindi ne usano di speciali dove c'è un controllo pn giunzione. I loro vantaggi rispetto alle controparti bipolari sono:

Valore non significativo della tensione residua sulla chiave nella condizione di cablaggio.
Elevata resistenza e, di conseguenza, una piccola corrente che scorre attraverso un elemento chiuso.
Consumato bassa potenza, quindi non è necessaria alcuna fonte significativa di tensione di controllo.
È possibile commutare segnali elettrici di basso livello, che sono unità di microvolt.

Relè chiave a transistor: ecco l'applicazione ideale per il campo. Naturalmente, questo messaggio viene pubblicato qui solo in modo che i lettori abbiano un'idea della loro applicazione. Un po 'di conoscenza e ingegnosità - e le possibilità di implementazioni in cui sono presenti interruttori a transistor, ne verranno inventate molte.

Esempio di lavoro

Diamo un'occhiata più da vicino a come funziona un semplice interruttore a transistor. Il segnale commutato viene trasmesso da un ingresso e rimosso da un'altra uscita. Per bloccare la chiave, al gate del transistor viene applicata una tensione che supera i valori del source e drain di un valore superiore a 2-3 V. Attenzione però a non andare oltre intervallo consentito. Quando la chiave è chiusa, la sua resistenza è relativamente grande - più di 10 ohm. Questo valore è ottenuto grazie al fatto che anche la corrente inversa ha un effetto aggiuntivo. offset p-n transizione. Nello stesso stato, la capacità tra il circuito del segnale commutato e l'elettrodo di controllo oscilla nell'intervallo 3-30 pF. Ora apriamo l'interruttore a transistor. Il circuito e la pratica mostreranno che quindi la tensione dell'elettrodo di controllo si avvicinerà allo zero ed è fortemente dipendente dalla resistenza di carico e dalla caratteristica della tensione commutata. Ciò è dovuto all'intero sistema di interazioni di gate, drain e source del transistor. Ciò crea alcuni problemi per il funzionamento in modalità interruttore.

Come soluzione a questo problema, si sono sviluppati vari schemi, che forniscono la stabilizzazione della tensione che scorre tra il canale e il gate. E grazie a Proprietà fisiche anche un diodo può essere utilizzato come tale. Per fare ciò, dovrebbe essere incluso nella direzione in avanti della tensione di blocco. Se viene creata la situazione necessaria, il diodo si chiuderà e la giunzione p-n si aprirà. In modo che quando la tensione commutata cambia, rimane aperta e la resistenza del suo canale non cambia, è possibile collegare un resistore ad alta resistenza tra la sorgente e l'ingresso della chiave. E la presenza di un condensatore accelererà notevolmente il processo di ricarica dei serbatoi.

Calcolo della chiave del transistor

Per capire, faccio un esempio del calcolo, puoi sostituire i tuoi dati:

1) Collettore-emettitore - 45 V. Potenza totale dissipata - 500 mw. Collettore-emettitore - 0,2 V. Frequenza limite di funzionamento - 100 MHz. Emettitore base - 0,9 V. Corrente di collettore- 100 mA. Rapporto di trasferimento di corrente statistico - 200.

2) Resistenza per corrente 60 mA: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Valore di resistenza del collettore: 3,45\0,06=57,5 Ohm.

4) Per comodità, prendiamo un valore nominale di 62 ohm: 3,45 \ 62 \u003d 0,0556 mA.

5) Consideriamo la corrente di base: 56 \ 200 \u003d 0,28 mA (0,00028 A).

6) Quanto sarà sul resistore di base: 5 - 0,9 \u003d 4,1 V.

7) Determina la resistenza del resistore di base: 4,1 \ 0,00028 \u003d 14,642,9 ohm.

Conclusione

E infine, sul nome "chiavi elettroniche". Il fatto è che lo stato cambia sotto l'influenza della corrente. E cosa rappresenta? Esatto, la totalità delle cariche elettroniche. Da qui deriva il secondo nome. È tutto. Come puoi vedere, il principio di funzionamento e la disposizione degli interruttori a transistor non sono qualcosa di complicato, quindi capirlo è un compito fattibile. Va notato che anche l'autore di questo articolo aveva bisogno di usare della letteratura di riferimento per rinfrescarsi la memoria. Pertanto, se hai domande sulla terminologia, ti suggerisco di ricordare la disponibilità di dizionari tecnici e di cercare lì nuove informazioni sugli interruttori a transistor.

IN dispositivi di impulso molto spesso puoi trovare interruttori a transistor. Gli interruttori a transistor sono presenti in flip-flop, interruttori, multivibratori, generatori di blocco e altri. circuiti elettronici. In ogni circuito, la chiave del transistor svolge la sua funzione e, a seconda della modalità operativa del transistor, il circuito della chiave nel suo insieme può cambiare, tuttavia, il principale schema elettrico chiave a transistor - la seguente:

Esistono diverse modalità principali di funzionamento dell'interruttore a transistor: modalità attiva normale, modalità di saturazione, modalità di interruzione e modalità inversa attiva. Sebbene il circuito di commutazione a transistor sia in linea di principio un circuito amplificatore a transistor a emettitore comune, questo circuito differisce per funzione e modalità da un tipico stadio amplificatore.

In un'applicazione chiave, il transistor funge da interruttore ad alta velocità e gli stati statici principali sono due: il transistor è chiuso e il transistor è aperto. Stato bloccato: lo stato aperto quando il transistor è in modalità di interruzione. Stato chiuso: lo stato di saturazione del transistor o uno stato vicino alla saturazione, in questo stato il transistor è aperto. Quando il transistor passa da uno stato all'altro, questa è la modalità attiva, in cui i processi in cascata procedono in modo non lineare.

Gli stati statici sono descritti in base alle caratteristiche statiche del transistor. Esistono due caratteristiche: la famiglia di uscita - la dipendenza della corrente di collettore dalla tensione collettore-emettitore e la famiglia di ingresso - la dipendenza della corrente di base dalla tensione base-emettitore.

La modalità cutoff è caratterizzata da uno spostamento di entrambi giunzioni p-n transistor nella direzione opposta, e c'è un'interruzione profonda e un'interruzione superficiale. Il taglio profondo è quando la tensione applicata alle giunzioni è 3-5 volte superiore alla tensione di soglia e ha la polarità inversa di quella di lavoro. In questo stato, il transistor è aperto e le correnti dei suoi elettrodi sono estremamente piccole.

Con un'interruzione superficiale, la tensione applicata a uno degli elettrodi è inferiore e le correnti degli elettrodi sono maggiori rispetto a un'interruzione profonda, di conseguenza le correnti dipendono già dalla tensione applicata secondo la curva inferiore dalla caratteristica di uscita famiglia, questa curva è chiamata “caratteristica limite” .

Ad esempio, eseguiremo un calcolo semplificato per la modalità chiave di un transistor che funzionerà su un carico resistivo. Il transistor rimarrà a lungo in uno solo dei due stati principali: completamente aperto (saturazione) o completamente chiuso (interruzione).

Lascia che il carico del transistor sia l'avvolgimento del relè SRD-12VDC-SL-C, la cui resistenza della bobina a 12 V nominali sarà di 400 ohm. Trascuriamo la natura induttiva dell'avvolgimento del relè, lasciamo che gli sviluppatori forniscano uno snubber per proteggersi da sovratensioni transitorie, ma calcoleremo in base al fatto che il relè verrà acceso una volta e per molto tempo. Troviamo la corrente del collettore con la formula:

Ik \u003d (Upit-Ukenas) / Rn.

Dove: Ik - DC collettore; Upit - tensione di alimentazione (12 volt); Ukenas - tensione di saturazione del transistor bipolare (0,5 volt); Rн - resistenza di carico (400 Ohm).

Otteniamo Ik \u003d (12-0,5) / 400 \u003d 0,02875 A \u003d 28,7 mA.

Per fedeltà, prendiamo un transistor con un margine per limitare la corrente e limitare la tensione. BD139 adatto nel pacchetto SOT-32. Questo transistor ha i parametri Ikmax = 1,5 A, Ukemax = 80 V. Ci sarà un buon margine.

Per fornire una corrente di collettore di 28,7 mA, è necessario fornire una corrente di base appropriata. La corrente di base è determinata dalla formula: Ib = Ik / h21e, dove h21e è il coefficiente di trasferimento di corrente statico.

I moderni multimetri ti consentono di misurare questo parametro, e nel nostro caso era 50. Quindi Ib \u003d 0,0287 / 50 \u003d 574 μA. Se il valore del coefficiente h21e è sconosciuto, per affidabilità, puoi prendere il minimo dalla documentazione per questo transistor.

Per determinare il valore richiesto del resistore di base. La tensione di saturazione base-emettitore è di 1 volt. Quindi, se il controllo verrà eseguito da un segnale dall'uscita chip logico, la cui tensione è 5 V, quindi per fornire la corrente di base richiesta di 574 μA, con una caduta alla transizione di 1 V, otteniamo:

R1 \u003d (Uin-Ubenas) / Ib \u003d (5-1) / 0,000574 \u003d 6968 Ohm

Scegliamone uno più piccolo (in modo che ci sia esattamente abbastanza corrente) dalla serie standard di un resistore da 6,8 kOhm.

MA, affinché il transistor commuti più velocemente e affinché l'operazione sia affidabile, utilizzeremo un resistore aggiuntivo R2 tra la base e l'emettitore, e su di esso cadrà una certa potenza, il che significa che è necessario abbassare la resistenza di la resistenza R1. Prendiamo R2 = 6,8 kOhm e regoliamo il valore di R1:

R1 = (Uin-Ubenas) / (Ib + I (attraverso la resistenza R2) = (Uin-Ubenas) / (Ib + Ubenas / R2)

R1 \u003d (5-1) / (0,000574 + 1/6800) \u003d 5547 ohm.

Sia R1 = 5,1 kOhm e R2 = 6,8 kOhm.

Calcoliamo le perdite sulla chiave: P \u003d Ik * Ukenas \u003d 0,0287 * 0,5 \u003d 0,014 W. Il transistor non ha bisogno di un dissipatore di calore.