電子キー。

一緒に作業するとき複雑な回路少ない労力で目標を達成できるように、さまざまな技術的なトリックを使用すると便利です。その 1 つは、トランジスタスイッチの作成です。彼らは何ですか？なぜそれらを作成する必要があるのでしょうか? なぜ「電子キー」とも呼ばれるのでしょうか? このプロセスにはどのような特徴があり、何に注意する必要がありますか?

トランジスタスイッチは何でできていますか?

これらはフィールドまたはフィールドを使用して実行されます。最初のものはさらに、MIS と制御 p-n 接合を持つスイッチに分割されます。双極性のもののうち、非/飽和のものは区別されます。 12 ボルトのトランジスタスイッチは、アマチュア無線の基本的なニーズを満たすことができます。

静的動作モード

キーの閉状態と開状態を分析します。 1 つ目では、入力には論理ゼロ信号を示す低電圧レベルが含まれています。このモードでは、両方の遷移が逆方向になります (カットオフが得られます)。ただし、コレクタ電流は熱電流によってのみ影響を受けます。オープン状態では、キー入力は論理 1 信号に対応する高電圧レベルになります。 2 つのモードで同時に作業することが可能です。このような動作は、出力特性の飽和領域または線形領域で行うことができます。それらについてさらに詳しく説明します。

キーサチュレーション

このような場合、トランジスタの接合は順方向にバイアスされます。したがって、ベース電流が変化しても、コレクタの値は変化しません。シリコントランジスタでは、バイアスを得るために約 0.8 V が必要ですが、ゲルマニウムトランジスタでは、電圧は 0.2 ～ 0.4 V の間で変動します。一般に、スイッチの飽和はどのように達成されるのでしょうか? これを行うには、ベース電流が増加します。しかし、彩度の向上と同様、すべてに限界があります。したがって、ある電流値に達すると増加が止まります。なぜキーを飽和させる必要があるのでしょうか? 状況を反映する特別な係数があります。増加すると、トランジスタスイッチの負荷容量が増加し、より少ない力で不安定要因が影響し始めますが、性能は低下します。したがって、飽和係数の値は、実行する必要があるタスクに焦点を当て、妥協点を考慮して選択されます。

不飽和キーの欠点

最適値が達成されなかった場合はどうなりますか? すると、以下のようなデメリットが現れます。

電圧公開鍵 0.5Vくらいまで下がります。
耐ノイズ性が低下します。これは、スイッチが開いた状態にあるときにスイッチで観察される入力抵抗の増加によって説明されます。したがって、電圧サージなどの干渉もトランジスタのパラメータの変化につながります。
飽和キーは温度安定性が非常に優れています。

ご覧のとおり、最終的により高度なデバイスを取得するには、このプロセスを実行する方が依然として優れています。

パフォーマンス

他のキーとの相互作用

この目的のために、通信要素が使用されます。したがって、最初のスイッチの出力電圧レベルが高い場合、2 番目のスイッチの入力が開き、指定されたモードで動作します。そしてその逆も同様です。このような通信回路は、スイッチング時に発生する過渡的な処理やキーの速度に大きな影響を与えます。これがトランジスタスイッチの仕組みです。最も一般的なのは、2 つのトランジスタ間でのみ相互作用が発生する回路です。しかし、これは、3 つ、4 つ、あるいはそれ以上の要素を使用するデバイスを作成できないという意味ではまったくありません。しかし、実際にはこれを応用するのは難しいため、このタイプのトランジスタスイッチの動作は使用されていません。

何を選択するか

何を扱うのが良いでしょうか? 電源電圧が 0.5 V の単純なトランジスタスイッチがあると想像してください。オシロスコープを使用すると、すべての変化を記録することができます。コレクタ電流を 0.5 mA に設定すると、電圧は 40 mV 低下します (ベースでは約 0.8 V になります)。問題の基準からすると、これはかなり大きな偏差であり、スイッチなどの回路全体での使用に制限を課すため、制御p-nがある場合は特別なものが使用されます。ジャンクション。双極性の対応物と比較した場合の利点は次のとおりです。

配線状態でのキーの残留電圧は無視できる値です。
抵抗が高く、その結果、閉じた要素を流れる電流が小さくなります。
消費電力が低いということは、重要な制御電圧源が必要ないことを意味します。
電気信号を切り替えることができます低レベル、マイクロボルトの単位です。

トランジスタリレースイッチは、フィールドアプリケーションにとって理想的なアプリケーションです。もちろん、このメッセージは、読者にアプリケーションのアイデアを提供することのみを目的としてここに掲載されています。少しの知識と創意工夫があれば、トランジスタスイッチを含む実装の非常に多くの可能性が発明されます。

作品例

単純なトランジスタスイッチがどのように機能するかを詳しく見てみましょう。スイッチされた信号は一方の入力から送信され、もう一方の出力から除去されます。キーをロックするには、ソースとドレインの値を 2 ～ 3 V 超える電圧がトランジスタのゲートに印加されます。ただし、制限を超えないよう注意する必要があります。許容範囲。キーが閉じているとき、その抵抗は比較的高く、10 オーム以上です。逆電流も影響するため、この値が得られます。 p-n オフセット遷移。同じ状態では、スイッチ信号回路と制御電極間の静電容量は 3 ～ 30 pF の範囲で変動します。では、トランジスタのスイッチを開いてみましょう。この図と実践は、制御電極の電圧がゼロに近づき、負荷抵抗とスイッチ電圧特性に大きく依存することを示しています。これは、トランジスタのゲート、ドレイン、ソース間の相互作用システム全体によるものです。これにより、チョッパーモードでの動作に特定の問題が発生します。

この問題の解決策として開発されたのが、さまざまなスキーム、チャネルとゲートの間を流れる電圧の安定化を実現します。そして、おかげで物理的性質ダイオードでもこの容量で使用できます。これを行うには、阻止電圧の順方向に含める必要があります。必要な状況が作成されると、ダイオードが閉じ、pn 接合が開きます。スイッチング電圧が変化してもオープン状態を維持し、そのチャネルの抵抗が変化しないように、スイッチのソースと入力の間に高抵抗の抵抗を接続できます。また、コンデンサの存在により、コンテナの再充電プロセスが大幅にスピードアップされます。

トランジスタスイッチの計算

理解のために、データを置き換えることができる計算の例を次に示します。

1) コレクタ - エミッタ - 45 V。総電力損失 - 500 mw。コレクタ-エミッタ - 0.2 V。カットオフ周波数 - 100 MHz。ベース-エミッタ - 0.9 V。コレクタ電流 - 100 mA。統計的電流伝達係数 - 200。

2) 60 mA 電流の抵抗: 5-1.35-0.2 = 3.45。

3) コレクタ抵抗定格: 3.45\0.06=57.5 オーム。

4) 便宜上、公称値 62 オームを採用します: 3.45\62=0.0556 mA。

5) ベース電流を計算します: 56\200=0.28 mA (0.00028 A)。

6) ベース抵抗の値は次のとおりです: 5 - 0.9 = 4.1V。

7) ベース抵抗の抵抗値を決定します: 4.1\0.00028 = 14.642.9 オーム。

結論

そして最後に「電子キー」という名前について。実際のところ、状態は電流の影響で変化します。彼はどんな人ですか？そう、電子料金の集合体です。これがセカンドネームの由来です。それだけです。ご覧のとおり、トランジスタスイッチの動作原理と設計は複雑なものではないため、これを理解することは実行可能な作業です。この記事の著者ですら、自分の記憶を呼び戻すために少し参考文献を使用する必要があったことに注意してください。したがって、用語について質問がある場合は、専門辞書が利用可能であることを思い出し、そこからトランジスタスイッチに関する新しい情報を検索することをお勧めします。

現在、マイクロプロセッサ技術の普及に伴い、純粋なアナログ回路を放棄し、デジタル回路に移行するという明確な傾向が見られます。デジタル信号処理は、ソリューションの柔軟性、設計の製造容易性、およびエネルギー節約の点で幅広い利点をもたらします。回路的には、デジタル技術がベースになっているだけでなく、多くのいわゆるパルスデバイス電子キーがあります。

技術的な実装デジタル回路信号は離散的に量子化された電圧 (電流) レベルで表され、電子スイッチと呼ばれる電子電圧 (電流) スイッチの使用に基づいています。半導体ダイオード、バイポーラおよび電界効果トランジスタ、フォトトランジスタ、サイリスタ、フォトカプラ、真空管は、電子スイッチの抵抗を制御した非線形デバイスとして使用されます。

機械式スイッチ（スイッチ）と同様に、開状態と閉状態の抵抗、切り替えられる電流と電圧の制限値、およびある状態から別の状態への切り替え速度を表す時間パラメータを使用して電子スイッチを特徴付けるのは自然なことです。電子キーは、機械式キーとは異なり、ほとんどの場合双方向ではないことに注意してください。電流と電圧を同じ符号で切り替えます。

区別する必要がある アナログ電子キー、送信を目的としたアナログ信号歪みを最小限に抑え、 デジタルキー、バイナリ信号の形成を提供します。アナログスイッチは、あらゆる種類の信号スイッチの基礎を形成し、アナログ - デジタル変換技術で広く使用されています。デジタルキーとアナログキーの機能は類似していますが、後者の要件はデジタルキーの要件とは大きく異なるため、アナログキーを設計する際の考慮事項はまったく異なります。

電子キーは種類によって次のように分類できます。

入力論理変数を出力論理変数に変換する機能。変換は、出力論理変数 y が z からエネルギーを引き出すときに、機能的な受動素子 (図 a) である減衰と増幅を使用して実行できます。 z – 機能的なアクティブ要素（図b）。
論理、複数の入力論理変数を 1 つに変換 (比較) します。これは、これらの入力論理変数の関数です (図 c)。

ダイオードスイッチ。

ダイオードスイッチに使用 印加電圧の大きさと符号に対するダイオード抵抗の依存性。

ダイオード電流は次の式で決定されることが知られています。 298Kで26mV - 温度ポテンシャル、 メートル - 表面ゲルマニウム漏れ電流と発生再結合の影響を考慮した係数 pn接合 x シリコンダイオード (- 1.2...1.5, - 1.2...2)。ダイオードの熱電流は、ダイオードに印加される電圧には実質的に依存せず、半導体の電気的特性とその加熱温度によって決まります。、どこ - 半導体材料と不純物濃度によって決まる定数、 イギリス - 接触電位差。アクティブ抵抗の p および n 領域を考慮するアクティブ抵抗ダイオードは次と等しくなります。

十分に高い電圧（数十から数十オーム）、逆バイアスされた接合（数十から数百キロオーム）の場合。

ダイオードの等価回路を図1に示します。鍵の慣性は、鍵の少数キャリアの蓄積プロセスによって決まります。 p-n領域遷移、容量p-n遷移、端子間の容量、端子のインダクタンス。ダイオードの性能を決定する主な基準パラメータは、逆抵抗の回復時間です。

そうだね - 漏れ抵抗;

0から - ダイオード端子間の静電容量。

L - 端子インダクタンス。

S D - 拡散静電容量 p-n順方向バイアスでの遷移。

C B - 逆バイアス時の p-n 接合のバリア容量

図1 ダイオード等価回路

ダイオードスイッチに基づいて、さまざまな論理要素を構築できます (図 2)。

図 2 - ダイオードスイッチに基づく論理回路の例

ダイオードをベースとした電子スイッチは受動構造であるため、スイッチを通過するときに信号が弱くなり、多段構造を構築する場合に特に顕著になります。

ダイオードスイッチの慣性は、p-n 接合領域での少数キャリアの蓄積、p-n 接合の静電容量、リード線の静電容量とインダクタンスによるものです。リストされたパラメータに加えて、負荷のインダクタンスとキャパシタンス、および実装キャパシタンスも重要です。ディスクリートダイオードの参考書では、少数キャリアの拡散移動による逆回復時間 (逆抵抗の回復) が示されていることがほとんどです。この時間を短縮するには、少数キャリアの再結合を促進するトラップの作成、または不均一濃度の不純物 (電荷蓄積ダイオード) の作成を使用できます。ダイオードスイッチは、デジタルおよびアナログ技術の補助ユニットとして最もよく使用されます。

バイポーラトランジスタをベースにした電子スイッチ。

ほとんどの場合、図に示すように、エミッタが共通の回路に従って組み立てられたスイッチが使用されます。 3.

スイッチングモードでは、バイポーラトランジスタは飽和モード (スイッチが閉じている) またはカットオフモード (スイッチが開いている) で動作します。飽和モードでは両方の接合 (コレクタとベースおよびエミッタとベース) が開いており、カットオフモードではそれらが閉じていることを覚えておくと便利です。飽和モードでは、トランジスタの出力回路は等価電圧源で表すことができ、そのEMFの値は参考書籍に記載されています( ユカナス -飽和電圧)。厳密に言えば、この電源の内部抵抗も考慮する必要があり、その値は境界モードラインの傾きの急峻さによって決まりますが、工学計算にとって最も実際的に重要なケースでは、以下に制限することができます。価値 - ユカナス 。抵抗器 Rb そして Rк 動作温度の全範囲にわたって制御信号の低レベルでトランジスタを確実にオフにし、制御信号の高レベルで飽和することを保証する必要があります。

図 3 - スキーム電子キーバイポーラトランジスタについて

計算する際には考慮する必要があります逆電流抵抗器を流れるコレクタ Rb 、その両端に電圧降下が生じます。エミッタ接合における合計電圧は、次の式で求められます。

ここで、は最大逆コレクタ電流、うお - 制御信号の低レベル電圧。明らかに、トランジスタを確実にオフにするためには、次のことが必要です。 宇部< ウベオッツ 。コレクタ逆電流の強い温度依存性を考慮し、最大値を選択して計算する必要があります。そうしないと、温度が変化したときにキーが「漏れる」可能性があります。

オープントランジスタは、アクティブモードまたは飽和モードになる可能性があります。電子キーの場合、アクティブモードではコレクタでかなりの電力が消費されるため、このモードは利益が得られません。したがって、アクティブモードは、一時的なプロセス中にのみ許可されます (厳密に言えば、アクティブモードが避けられない場合)。

飽和を保証するには、この関係を満たす必要がある。ベース電流は次の式で求められます。飽和電流は、コレクタ回路の抵抗の抵抗値、トランジスタの増幅特性、飽和状態でのコレクタとエミッタ間の抵抗によって決まります。。計算するときは、最悪の値を使用することをお勧めします。飽和条件に違反すると、トランジスタはアクティブモードになり、コレクタ電圧の増加と消費電力の増加を伴うことに注意してください。場合によっては、異なる飽和基準、つまりトランジスタの両方の接合（ベース-エミッタおよびベース-コレクタ）の直接バイアスが使用されます。アクティブモードでは、ベースとコレクタの接合は反対方向にバイアスされます。

この基準を使用すると、出力トランジスタのベースはせいぜいコレクタの電位と等しい電位を持つことができるため、(ダーリントン回路を使用した)複合トランジスタは完全に飽和できないことが容易に理解できます。

電子キーの設計に必要な部分は、この段階でのスイッチング速度とエネルギー損失 (動的損失) を決定する動的特性の評価です。

バイポーラトランジスタの電子スイッチにおける過渡プロセススイッチングサイクルの期間によって特徴付けられ、いくつかの個別の段階に分割できます。

遅れて;

スイッチオン（飽和に相当する値まで電流が増加）。

スイッチオフ遅延 (飽和モードからアクティブモードへの移行中のベースでの電荷吸収による)。

シャットダウン（コレクタ電流がカットオフに対応する値まで減少するため）。

また、設置コンデンサや負荷の充電プロセスも考慮する必要があります。これらはトランジスタには直接関係しませんが、全体として過渡プロセスの継続時間に大きな影響を与える可能性があります。

特徴を考えてみましょう 移行プロセスのセクション時間図によると（図4）。

図 4 - バイポーラトランジスタスイッチの過渡プロセス

トランジスタはロックされており、ベース電流は逆コレクタ電流によって決まり、ベースには実質的に電荷がなく、スイッチ出力はハイレベルになります。
キー入力の電位が急激に上昇し、入力容量が充電され始めます。ベースとコレクタの電流は、ベース・エミッタ接合の電圧がカットオフ電圧（ターンオン遅延時間）を超えない限り変化しません。
カットオフ電圧を超えると、エミッタ接合が開き、トランジスタはアクティブモードになります。ベースに注入された少数キャリアはベースの平衡状態を破壊し、電荷の蓄積が始まります。コレクタ領域へのキャリアの抽出により、コレクタ電流は比例して増加します。飽和モードに入る前の時間がターンオン時間です。
飽和モードでは、すべての電流と電圧は一定のままですが、ベースの電荷は、より遅い速度ではありますが増加し続けます。飽和モードへの移行に相当する値を超える電荷を過剰といいます。
スイッチ入力の電位が急激に変化すると、ベース電流も急速に減少し、ベース電荷の平衡状態が崩れ、その吸収が始まります。トランジスタは電荷が限界値まで減少するまで飽和状態を維持し、その後アクティブモードになります (ターンオフ遅延時間)。
アクティブモードでは、トランジスタがカットオフモードになるまで、ベース電荷とコレクタ電流が減少します。このとき、スイッチの入力抵抗が増加します。この段階でシャットダウン時間が決定されます。
トランジスタがカットオフモードに入った後、負荷容量、実装容量、コレクタ容量が充電されるにつれて出力電圧は増加し続けます。

明らかに、トランジスタの飽和の程度 (深さ) が重要な役割を果たします。

スイッチングパラメータを定量化するには、次の式を使用できます。

スイッチの速度を上げるための回路工学手法には、強制チェーン (図 5a) と非線形フィードバック (図 5b) があります。

a) フォースチェーン付きキー

b) 非線形フィードバックを備えたキー

図 5 - 性能を向上させるための回路テクニック

強制回路の動作原理は明らかです。トランジスタがロック解除されている場合、ベース電流は強制容量の充電プロセスによって決まります（飽和モードへの急速な移行）。この抵抗の値は、トランジスタの飽和が浅くなるように選択されます。したがって、ベース内のマイナーキャリアの再吸収時間が短縮されます。

非線形フィードバックを使用する場合は、トランジスタのベースとコレクタの間に接続されたダイオードが使用されます。ロックされたダイオードは、スイッチが開いていて、ダイオードが順バイアスされ、トランジスタが深い負帰還状態にあるときは、回路の動作に影響を与えません。ターンオフ時間を短縮するには、ダイオードの逆方向抵抗の回復時間を短くする必要があり、ショットキーバリアを持つダイオードが使用されます。ショットキーダイオードとバイポーラトランジスタのモノリシック構造はショットキートランジスタと呼ばれます。

バイポーラトランジスタに基づくスイッチには、使用を制限する多くの欠点があります。

塩基内の少数キャリアの有限な再吸収速度により生じる性能の制限。

静的モードでは制御回路によって大量の電力が消費されます。

バイポーラトランジスタを並列接続する場合、エミッタ回路にイコライズ抵抗を使用する必要があり、回路の効率が低下します。

熱的不安定性。トランジスタ温度の上昇に伴うコレクタ電流の増加によって決まります。

電界効果トランジスタをベースにした電子スイッチ。

で現在、キーデバイスの分野からバイポーラトランジスタが積極的に排除されています。多くの場合、電界効果トランジスタが代替品として機能します。電界効果トランジスタは、制御回路を通じて静的電力を消費せず、少数キャリアを含まないため、消散するのに時間がかかりません。最終的に、温度の上昇によりドレイン電流が減少し、供給量が増加します。熱安定性。

電子スイッチを構成するさまざまな電界効果トランジスタのうち、最も広く使用されているものは次のとおりです。 MIS - トランジスタ誘導チャネル付き（海外文献では濃縮タイプ）。このタイプのトランジスタは、チャネルの伝導が起こるしきい値電圧によって特徴付けられます。ドレインとソース間の電圧が低い領域 (オープントランジスタ) は、等価抵抗で表すことができます (飽和したバイポーラトランジスタ - 電圧源とは対照的)。このタイプの主要なトランジスタの参考データには、次のパラメータが含まれます。 リシオペン - オープン状態でのドレイン・ソース間抵抗。低電圧トランジスタの場合、この抵抗の値はオームの 10 分の 1 から 100 分の 1 であり、これによって決まります。低電力、静的モードではトランジスタによって消費されます。残念ながら、 リシオペン 最大許容ドレイン・ソース間電圧が増加すると、顕著に増加します。

図 7 - ゲートが誘導された MOS トランジスタのキーオン。

MOS トランジスタの飽和モードはバイポーラトランジスタの飽和モードとは根本的に異なることを考慮する必要があります。電界効果トランジスタのスイッチにおける過渡プロセスは、チャネルを介したキャリアの移動と、電極間容量、負荷および設置コンデンサの再充電によって引き起こされます。電子は正孔よりも動作速度が速いため、n チャネルトランジスタは p チャネルトランジスタよりも優れた性能を発揮します。

電界効果トランジスタをベースにしたキーデバイスの回路には、共通のソース、図7aに示されています。トランジスタがオフになると、制御されていない (初期) ドレイン電流が流れます。トランジスタが開いているとき、トランジスタを流れる電流は、負荷抵抗の値と電源電圧によって決定されなければなりません。トランジスタのロックを確実に解除するために、制御電圧の振幅は次の条件から選択されます。、どこ - 負荷電流、 U® - しきい値電圧、それで - 電流電圧特性の傾き。現在、十分な範囲のトランジスタが製造されており、TTL レベルの電圧でトランジスタを制御できます。

MOS トランジスタのスイッチにおける過渡プロセスを図 8 に示します。

図 8. 電界効果トランジスタのスイッチの電圧図。

MOS トランジスタのスイッチにおける過渡プロセス次のように起こります:

MIS トランジスタに基づくスイッチの過渡プロセスの継続時間を計算する便宜上、パラメータを使用することをお勧めします。 充電をオンにする QSVKL. たとえば、次のようなトランジスタ QSVKL = 20 nC は、1 mA の電流で 20 μs、1 A の電流で 20 ns でオンになります。指定されたパラメータは参考書籍に記載されており、製造元によって実験的に決定されます。

トランジスタスイッチは、パルスコンバータ技術の主要コンポーネントです。みんなの計画の中でパルス源電源にはトランス電源がほぼ完全に置き換えられ、トランジスタスイッチが使用されています。このような電源の例としては、コンピューターブロック栄養、充電器トランジスタキーは、機械的な可動部品がないという主な利点があり、キーの信頼性と耐久性が向上するため、電磁リレーに代わって使用されています。さらに、電子半導体スイッチのオン/オフの切り替え速度は、電磁リレーの速度よりもはるかに高速です。

また、マイクロコントローラーからの信号に基づいて、大きな電力の負荷をオン/オフ (スイッチング) するために、トランジスタスイッチがよく使用されます。

電子キーの本質は管理することハイパワー低電力信号の場合。

トランジスタ、サイリスタ、トライアックをベースにした半導体スイッチがあります。ただし、この記事ではバイポーラトランジスタに基づく電子スイッチの動作について説明します。今後の記事では、他のタイプの半導体スイッチについて説明します。

半導体構造に応じて、バイポーラトランジスタは 2 つのタイプに分類されます。 p — n — p そして n — p — n タイプ（ 米。 1 ).

米。 1 – バイポーラトランジスタの構造

回路図では、バイポーラトランジスタは次のように指定されます。 米。 2 。中央のピンはベースと呼ばれ、「矢印」の付いたピンはエミッタ、残りのピンはコレクタと呼ばれます。

米。 2 – 回路内のトランジスタの指定

また、トランジスタは通常、背中合わせに接続された 2 つのダイオードとして表すことができ、それらが接続される場所は常にベースになります。図3 ).

米。 3 – トランジスタをダイオードに置き換える図

トランジスタスイッチ。切り替えスキーム。

異なる半導体構造のトランジスタの接続回路を以下に示します。 米。 4 。ベースとエミッタ間の接合をエミッタ接合、ベースとコレクタ間の接合をコレクタ接合といいます。トランジスタをオン（オープン）にするには、コレクタ接合が逆方向にバイアスされ、エミッタが順方向にバイアスされる必要があります。

米。 4 – トランジスタスイッチ。接続方式

電源電圧 U SP コレクタ端子とエミッタ端子に適用 U ケ負荷抵抗を介して R に (cm。 米。 4 ）。ベース・エミッタ間に制御電圧（制御信号）を印加 U ペ電流制限抵抗を介して R b .

トランジスタがスイッチングモードで動作する場合、2 つの状態になる可能性があります。 1つ目はカットオフモードです。このモードでは、トランジスタは完全に閉じており、コレクタとエミッタ間の電圧は電源の電圧と等しくなります。 2 番目の状態は飽和モードです。このモードでは、トランジスタは完全に開いており、コレクタとエミッタ間の電圧は両端の電圧降下に等しくなります。 p — n – さまざまなトランジスタの遷移は、100 分の 1 から 10 分の 1 ボルトの範囲にあります。

トランジスタの入力静特性の負荷線上( 米。 5 ) 飽和領域はセグメント上にあります 1-2 、およびセグメント上のカットオフ領域 3-4 。これらのセグメント間の中間領域は、 2-3 活性領域といいます。トランジスタがアンプモードで動作する場合に使用されます。

米。 5 – トランジスタの入力静特性

電源接続の極性と制御信号電圧を覚えやすくするために、エミッタの矢印に注意してください。電流の流れる方向を示します（図6 ).

米。 6 – トランジスタスイッチを流れる電流の経路

トランジスタスイッチパラメータの計算

キーがどのように機能するかを示す例として、LED を負荷として使用します。その接続図を以下に示します。 米。 7 。半導体構造の異なるトランジスタでは、電源とLEDの接続極性に注意してください。

米。 7 – LEDをトランジスタスイッチに接続するための図

トランジスタで作られたトランジスタスイッチの主なパラメータを計算してみましょう n — p — n タイプ。次のような初期データがあるとします。

- LED両端の電圧降下 Δ UVD = 2V;

— 定格電流導かれた私VD= 10mA;

— 電源電圧 USP(図では受が示した) = 9V;

— 入力信号電圧 U太陽= 1.6V.

次に、図に示した図をもう一度見てみましょう。 米。 7 。ご覧のとおり、ベース回路とコレクタ回路の抵抗器の抵抗値を決定することが残っています。トランジスタは、バイポーラに対応する半導体構造から選択できます。ソ連のトランジスタを例に挙げてみましょう。 n — p — n タイプ MP111B.

トランジスタのコレクタ回路の抵抗の計算

コレクタ回路の抵抗は、LED に流れる電流を制限するように設計されています。 VD 、またトランジスタ自体を過負荷から保護します。トランジスタが開くと、回路内の電流は LED の抵抗によってのみ制限されるためです。 VD と抵抗 R に .

抵抗値を決めてみましょう R に。それは両端の電圧降下に等しい Δ U R にコレクタ回路の電流で割った値私に :

そこで、最初にコレクタを設定します。これは LED の定格電流です。を超えてはなりません私 k=10mA .

次に、抵抗の両端の電圧降下を求めてみましょう R に。電源の電圧と同じです U SP (U ケ ) LED両端の電圧降下を引いた値 Δ U VD トランジスタ両端の電圧降下を差し引いたもの ΔU ケ :

LED の両端の電圧降下と電源の電圧は、初期設定でそれぞれ 0.2V と 9V に等しくなります。トランジスタ MP111B の電圧降下（他と同様）ソ連のトランジスタ、私たちは平等に受け取ります約0.2 B. 最新のトランジスタ (BC547、BC549、N2222 など) の場合、電圧降下は約 0.05 V 以下です。

トランジスタが完全に開いたときのコレクタ端子とエミッタ端子の間の電圧降下を測定でき、後で計算を調整できます。ただし、後で説明するように、コレクタ抵抗はより簡単な方法で選択できます。

コレクタ回路の抵抗は次のとおりです。

トランジスタのベース回路の抵抗の計算

あとはベース抵抗を決定するだけです R b 。それは抵抗自体の両端の電圧降下に等しい ΔURb ベース電流で割った値私 b :

トランジスタのベース両端の電圧降下は入力信号電圧に等しい ウブス ベース-エミッタ接合間の電圧降下を引いた値 Δ宇部 。入力信号電圧はソースデータで指定されており、1.6 V に等しくなります。ベースとエミッタ間の電圧降下は約 0.6 V です。

次にベース電流を求めます Ib 。コレクタ電流に等しい Ib トランジスタの電流ゲインで割った値 β 。各トランジスタのゲインはデータシートまたは参考書に記載されています。意味も分かりやすくなりますよ β マルチメーターを使用できます。最も単純なマルチメーターにもこの機能があります。特定のトランジスタの場合 β=30 。最新のトランジスタを搭載 β 約 300 ～ 600 ユニットに相当します。

これで、必要なベース抵抗を見つけることができます。

したがって、上記の方法を使用すると、ベース回路とコレクタ回路に必要な抵抗値を簡単に決定できます。ただし、計算されたデータから常に抵抗値を正確に決定できるわけではないことに注意してください。したがって、実験的にキーを微調整する方がよく、計算は初期推定のためにのみ必要です。つまり、計算は抵抗値の選択範囲を狭めるのに役立ちます。

抵抗値を決定するには、可変抵抗器そして、その値を変更することで、ベース電流とコレクタ電流の必要な値を取得します（ 米。 8 ).

米。 8 – 可変抵抗器の接続スキーム

電子キー用トランジスタの選択に関する推奨事項

メーカーが指定するコレクタとエミッタ間の公称電圧は、電源の電圧よりも高くなければなりません。

定格コレクタ電流もメーカーによって指定されており、次の値でなければなりません。より最新の負荷がかかります。

トランジスタのベース電流と電圧が許容値を超えないようにする必要があります。

また、飽和モードでのベースの電圧は最小値より低くなってはなりません。そうしないと、トランジスタスイッチが不安定に動作します。

トランジスタスイッチは、デジタルエレクトロニクスデバイスや多くのパワーエレクトロニクスデバイスの主要な要素です。トランジスタスイッチのパラメータと特性は、対応する回路の特性を大部分決定します。

バイポーラトランジスタをオンにします 。エミッタ共通の回路に接続されたバイポーラトランジスタの最も単純なスイッチと、対応する入力電圧のタイミング図を図に示します。 14.5。

米。 14.5。バイポーラトランジスタスイッチ

定常状態におけるトランジスタスイッチの動作を考えてみましょう。ある瞬間まで t 1 トランジスタのエミッタ接合はロックされ、トランジスタはカットオフモードになります。このモードでは私に =– 私 b =私共 (私共– 逆コレクタ電流）、私ああ≈ 0。さらに あなた R b ≈あなた R に ≈ 0;あなた ペ ≈ –U 2 ;あなた ケ ≈–E に .

その間に t 1 …t 2 トランジスタが開いています。トランジスタの両端の電圧を計算するには あなた ケ最小限でした、緊張 U 1 通常、トランジスタが飽和モードまたは飽和モードに非常に近い境界モードになるように選択されます。

電界効果トランジスタスイッチ 残留応力が低いことが特徴です。弱い信号 (数マイクロボルト以下) を切り替えることができます。これは電界効果トランジスタの出力特性が原点を通過していることに起因します。

たとえば、制御遷移とチャネルを持つトランジスタの出力特性を描いてみましょう。 p- 原点に隣接する領域に入力します (図 14.6)。

米。 14.6. 電界効果トランジスタ p型チャネル付き

第 3 象限の特性は、ゲートとドレイン間の指定された電圧に対応していることに注意してください。

静的状態では、電界効果トランジスタスイッチは制御電流をほとんど消費しません。ただし、スイッチング周波数が増加すると、この電流も増加します。電界効果トランジスタのスイッチの非常に高い入力抵抗は、実際に入力および出力回路のガルバニック絶縁を提供します。これにより、制御回路に変圧器を使用せずに済みます。

図では、図 14.7 は、誘導チャネルを備えた MOS トランジスタに基づくデジタルスイッチの図を示しています。 nタイプと抵抗負荷、および対応するタイミング図。

米。 14.7。電界効果トランジスタ上のデジタルキー

図は耐荷重を示していますと n、トランジスタスイッチに接続されたデバイスの静電容量をモデル化します。明らかに、入力信号がゼロの場合、トランジスタはオフになり、 あなた シ =E と。電圧がしきい値電圧より大きい場合 U 冬の敷居トランジスタが開き、電圧が上昇します あなた シ減少します。

論理要素

論理要素 (論理ゲート) は、いくつかの単純な処理を実行する電子回路です。論理演算。図では、 14.8は、いくつかの論理要素の従来の図記号の例を示しています。

米。 14.8。論理要素

論理要素は別個の集積回路として実装できます。多くの場合、集積回路には複数の論理要素が含まれています。

論理ゲートは、デジタル電子デバイス (論理デバイス) で論理信号の単純な変換を実行するために使用されます。

論理要素の分類。 論理要素 (いわゆるロジック) の次のクラスが区別されます。

抵抗トランジスタロジック (TRL)。

ダイオードトランジスタロジック（DTL）。

トランジスタ-トランジスタロジック (TTL)。

エミッタトランジスタロジック（ETL）。

ショットキーダイオード (TTLS) を備えたトランジスタ - トランジスタロジック。

r(r-MDP);

のようなチャネルを持つ MOS トランジスタに基づくロジック n(n-MDP);

MOS トランジスタ (CMOS、CMOS) の相補スイッチに基づくロジック。

統合された注入ロジック I 2 L。

ガリウムヒ素半導体GaAsをベースにしたロジック。

現在、最も広く使用されているロジックは、TTL、TTLSh、CMOS、ESL です。論理素子およびその他のデジタル電子デバイスは、次のマイクロ回路シリーズの一部として製造されます: TTL – K155、KM155、K133、KM133; TTLSH – 530、KR531、KM531、KR1531、533、K555、KM555、1533、KR1533; ESL – 100、K500、K1500; CMOS – 564、K561、1564、KR1554; GaAs-K6500。

ほとんど重要なパラメータ論理要素:

性能は信号伝播遅延時間によって特徴付けられます t sp最大動作周波数 F マックス。 U 通常、ディレイタイムは0.5レベルの差で決まります。入力 U と0.5Δ外 F マックス。

最大動作周波数 – これは、回路が動作し続ける周波数です。 負荷容量は入力積分係数で表されます。 に – これは、回路が動作し続ける周波数です。 負荷容量は入力積分係数で表されます。について – これは、回路が動作し続ける周波数です。 (「出力プーリング係数」という用語が使用されることもあります)。マグニチュード – これは、回路が動作し続ける周波数です。 負荷容量は入力積分係数で表されます。 =2…8,– これは、回路が動作し続ける周波数です。 (「出力プーリング係数」という用語が使用されることもあります)。は論理入力の数、値 – これは、回路が動作し続ける周波数です。 (「出力プーリング係数」という用語が使用されることもあります)。 =20…30.

一度 U – 特定の論理要素の出力に接続できる同様の論理要素の最大数。それらの典型的な意味は次のとおりです。=4...10。負荷容量が増加したエレメント用静的モードでのノイズ耐性は電圧によって特徴付けられます

マイクロ回路が電源から消費する電力。この電力が 2 つの論理状態で異なる場合、多くの場合、これらの状態の平均消費電力が報告されます。

供給電圧。

入力の高および低しきい値電圧 U 入力1しきい値そして U 入力0しきい値、論理要素の状態の変化に対応します。

出力電圧の高レベルと低レベル U 出力1そして U 出力0 .

他のパラメータも使用されます。

さまざまなロジックの論理要素の特徴。 特定の一連のマイクロ回路は、基本的な論理要素である標準的な電子ユニットの使用を特徴としています。この要素は、さまざまなデジタル電子機器を構築するための基礎となります。

基本的な TTL 要素 論理積演算を実行するマルチエミッタトランジスタと複雑なインバータが含まれています (図 14.9)。

米。 14.9。基本的な TTL 要素

低電圧レベルが一方または両方の入力に同時に印加されると、マルチエミッタトランジスタは飽和状態になり、トランジスタ T 2 が閉じ、したがってトランジスタ T 4 も閉じます。つまり、出力は高電圧レベルになります。。高電圧レベルが両方の入力に同時に印加されると、トランジスタＴ２が開いて飽和モードに入り、これによりトランジスタＴ４が開いて飽和し、トランジスタＴ３がオフになる。 AND-NOT関数が実装されています。 TTL 素子の速度を上げるには、ダイオードを備えたトランジスタまたはショットキートランジスタが使用されます。

基本論理要素 TTLSH (K555 シリーズの例を使用)。 として基本要素 K555シリーズチップ使用素子

AND-NOT (図 14.10、あ)、図では。 14.10、 bショットキートランジスタのグラフ表示が示されています。

米。 14.10. ロジックエレメント TTLSH

トランジスタ VT4 は通常のバイポーラトランジスタです。両方の入力電圧が あなた 入力1そして あなた vx2 がハイレベルの場合、ダイオード VD3 と VD4 が閉じ、トランジスタ VT1、VT5 が開き、出力にはローレベルの電圧が生じます。少なくとも 1 つの入力が低レベル電圧の場合、トランジスタ VT1 と VT5 が閉じ、トランジスタ VT3 と VT4 が開き、入力には低レベル電圧が存在します。 K555 シリーズの TTLSh マイクロ回路は、次のパラメータによって特徴付けられます。

電源電圧+5 で;

ローレベル出力電圧は0.4以下で;

出力電圧ハイレベル 2.5以上で;

ノイズ耐性 - 0.3 V 以上。

平均信号伝播遅延時間 20 ns;

最大動作周波数 25 MHz.

他のロジックの機能。 ESL の基本論理要素の基礎は電流スイッチであり、その回路は差動増幅器の回路に似ています。 ESL マイクロ回路は負の電圧 (-4 で K1500シリーズ用）。このマイクロ回路のトランジスタは飽和モードに入りません。これが ESL 素子の高性能の理由の 1 つです。

マイクロ回路内 n-MOSと p-MOSスイッチはMOSトランジスタにそれぞれ使用されています。 n- チャネルと動的負荷、および MOS トランジスタに p-チャネル。静的状態の論理素子による電力消費をなくすために、相補型 MIS 論理素子 (CMDP または CMOS 論理) が使用されます。

ガリウムヒ素 GaAs で作られた半導体に基づくロジックは、高い電子移動度 (シリコンと比較して 3 ～ 6 倍) の結果として最高のパフォーマンスを特徴とします。 GaAsベースの超小型回路は10程度の周波数で動作可能 GHz.

どのような種類の負荷について話しているのでしょうか? はい、リレー、電球、ソレノイド、モーター、一度に複数の LED、または強力なパワー LED スポットライトなど、あらゆるものに対応します。つまり、15mA を超える電流を消費するもの、および/または 5 ボルトを超える電源電圧を必要とするものです。

リレーを例に考えてみましょう。 BS-115Cとします。巻線電流は約 80mA、巻線電圧は 12 ボルトです。最大電圧 250V および 10A に接続します。

リレーをマイクロコントローラーに接続することは、ほとんどすべての人にとっての課題です。問題の 1 つは、マイクロコントローラーがコイルの通常の動作に必要な電力を供給できないことです。最大電流コントローラーの出力が通過できる電流が 20mA を超えることはほとんどありませんが、これは依然としてクール、つまり強力な出力であると考えられます。通常は 10mA 以下です。はい、ここでの電圧は 5 ボルト以下で、リレーには 12 ボルトも必要です。もちろん、5 ボルトのリレーもありますが、2 倍以上の電流を消費します。一般的に、リレーにキスするのはどこであっても、それはお尻です。何をするか？

まず思いつくのはトランジスタの搭載です。正しい解決策は、数百ミリアンペア、さらにはアンペアまでトランジスタを選択できることです。 1 つのトランジスタが欠落している場合、弱いトランジスタがより強力なトランジスタを開いたときに、カスケードでスイッチがオンになる可能性があります。

1 がオンで 0 がオフであることを受け入れているので (これは論理的ですが、AT89C51 アーキテクチャから来た私の長年の習慣と矛盾します)、1 が電力を供給し、0 が負荷を除去します。バイポーラトランジスタを考えてみましょう。リレーには80mAが必要なので、次のトランジスタを探しています。コレクタ電流 80mA以上。インポートされたデータシートでは、このパラメータは Ic と呼ばれていますが、私たちのものでは Ic と呼ばれています。最初に頭に浮かんだのは KT315 でした。KT315 は、ほとんどどこでも使用されていた傑作のソビエトトランジスタです:) このようなオレンジ色のトランジスタです。費用は1ルーブルもかかりません。また、任意の文字インデックス付きの KT3107 または輸入 BC546 (および BC547、BC548、BC549) もレンタルします。トランジスタの場合、まず端子の用途を決める必要があります。コレクタはどこにあり、ベースはどこにあり、エミッタはどこにありますか。これには、データシートまたは参考書を使用するのが最適です。たとえば、データシートの一部を次に示します。

彼を見てみると前面、碑文のあるもの、足を下にして持ち、次に結論、左から右へ：エミッター、コレクター、ベース。

トランジスタを取り出して、次の図に従って接続します。

コレクタを負荷に、エミッタを矢印の付いたものをアースに接続します。そしてベースからコントローラー出力へ。

トランジスタは電流増幅器です。つまり、ベース-エミッタ回路に電流を流すと、入力に等しい電流がコレクタ-エミッタ回路を通過し、ゲイン h fe が乗算されます。
このトランジスタの h fe は数百です。 300くらいだったかな、正確には覚えていない。

ユニットポートに供給されるときのマイクロコントローラーの最大出力電圧は 5 ボルトです (ここでは、ベース-エミッター接合部での 0.7 ボルトの電圧降下は無視できます)。ベース回路の抵抗は 10,000 オームです。これは、オームの法則によれば、電流は 5/10000 = 0.0005A または 0.5mA に等しいことを意味します。これは、コントローラーがまったく影響を及ぼさないまったく重要な電流ではありません。そしてこの時点の出力はI c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150Aとなります。 150mA は 100mA よりも大きいですが、これは単にトランジスタが広く開いて最大値を生成することを意味します。これは、私たちのルユハが完全な栄養を摂取できることを意味します。

みんな幸せ、みんな満足? しかし、いいえ、ここで残念なことがあります。リレーでは、コイルがアクチュエーターとして使用されます。また、コイルには強いインダクタンスがあるため、コイル内の電流を突然遮断することはできません。これをやろうとすると、電磁場に溜まった位置エネルギーが別の場所に出てきます。遮断電流がゼロの場合、この場所は電圧になります。電流が急激に遮断されると、コイルに数百ボルトの強力な電圧のサージが発生します。電流が機械的接触によって遮断されると、空気破壊、つまり火花が発生します。そして、トランジスタでそれを切断すると、それは単に破壊されます。

コイルのエネルギーをどこかに置くために何かをする必要があります。問題ないので、ダイオードを取り付けて自分自身に近づけましょう。通常動作中、ダイオードは電圧に対してオンになり、電流は流れません。オフになると、インダクタンスの両端の電圧は逆方向になり、ダイオードを通過します。

確かに、電圧サージを伴うこれらのゲームは、デバイスの電源ネットワークの安定性に悪影響を与えるため、電源のプラスとマイナスの間のコイルの近くにさらに 100 マイクロファラッドの電解コンデンサをねじ込むのが理にかなっています。彼が引き継ぐだろうほとんどの脈動。

美しさ！しかし、さらに良い方法は、消費量を減らすことです。リレーの遮断電流はかなり大きくなりますが、アーマチュア保持電流は 3 分の 1 です。それはあなたが誰を望むかによって異なりますが、ヒキガエルは私に、必要以上にリールに餌を与えるようプレッシャーをかけてきます。これは、暖房やエネルギー消費などを意味します。また、抵抗付きの 10 マイクロファラッドの極性コンデンサを回路に挿入します。今何が起こるか:

トランジスタが開いたとき、コンデンサ C2 はまだ充電されていません。これは、充電の瞬間に、コンデンサ C2 がほぼ充電されていることを意味します。短絡そして電流は制限なくコイルを流れます。それほど長くはありませんが、これはリレーのアーマチュアを所定の位置から破壊するには十分です。その後、コンデンサが充電され、開回路になります。また、リレーには電流制限抵抗を介して電力が供給されます。抵抗とコンデンサは、リレーが明確に動作するように選択する必要があります。
トランジスタが閉じた後、コンデンサは抵抗を介して放電します。これは逆の問題を引き起こします。コンデンサがまだ放電していないときにすぐにリレーをオンにしようとすると、ジャークに十分な電流が存在しない可能性があります。したがって、ここではリレーがどのくらいの速度でクリックするかを考える必要があります。もちろん、コンドルは一瞬で放電しますが、それが多すぎる場合もあります。

もう 1 つアップグレードを追加しましょう。
リレーが開くとエネルギーが磁場電流はダイオードを介して解放されますが、同時にコイルに電流が流れ続けます。これは、アーマチュアを保持し続けることを意味します。制御信号が除去されてから連絡先グループが失われるまでの時間が増加します。ザパドロ。電流の流れに障害物を作る必要がありますが、それはトランジスタを破壊しない程度のものです。トランジスタの限界降伏電圧を下回る開放電圧のツェナーダイオードを接続しましょう。
データシートの一部から、BC549 の最大コレクタ - ベース電圧は 30 ボルトであることがわかります。 27ボルトのツェナーダイオードをねじ込みます - 利益があります！

その結果、コイルに電圧サージが発生しますが、それは制御されており、臨界降伏点以下に抑えられています。したがって、シャットダウン遅延を大幅に (数倍も!) 短縮します。