Транзистор в ключевом режиме – Работа транзистора в режиме ключа

Работа транзистора в режиме ключа

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор “R” здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Базовая схема транзисторного ключа

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!

Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз  при отключении заземлять базу? В идеале – да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем R_Б , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем R_БЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор R_БЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы U_БЭ<0,6 Вольт или чтобы ток базы I_Б = 0. Этот способ чаще всего используется в МК и других логических схемах.

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме “отсечки“.

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

где

I_Б – это базовый ток, в Амперах

k_НАС  – коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I_K  – коллекторный ток, в Амперах

β – коэффициент усиления тока транзистора

Ну а дальше дело за малым

Это самый простой расчет без всяких заморочек.

Расчет транзисторного ключа на практике

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения. На базу будем подавать распространенное питание в 5 В.

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б и лампочку-нагрузку для нашего транзисторного ключа. Лампочка на 6 В.

Транзистор КТ819Б структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Лампочка при питании 6 В светит примерно вот так:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее соединить напрямую к блоку питания.

0,23 Ампера. Именно такую силу тока должна кушать наша лампочка в режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт. То есть это у нас будет коллекторный ток I_k . Так как сопротивление нити накала лампочки меняется при подключении ее к источнику питания, то лучше всего сразу же измерить ее силу тока, как мы и сделали.

Теперь дело за малым. Надо замерить коэффициент бета. Для этого случая на моем рабочем столе есть прибор транзисторметр. Итак, у  меня получилось значение 148

Итак, находим ток базы по формуле

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Здесь уже вы сами должны выбрать значение коэффициента насыщения. Как я уже писал выше, чем больше коэффициент, тем сильнее уходит транзистор в режим насыщения.  Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=U_КЭ х I_Н

где

P – это мощность в Ваттах

U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

I_Н – сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше U_КЭ , тем меньше будет греться транзистор

Поэтому, берем среднее значение коэффициента насыщения равное 3. Получаем:

Теперь считаем базовый резистор по формуле:

Берем ближайший из ряда, то есть 1 кОм.

Давайте посмотрим, будет ли работать наш транзисторный ключ? Итак, R_Б берем рассчитанное значение в 1 кОм.

Собираем схему и смотрим, как она работает

В данном случае синие провода – это питание с Bat2 (MEILI), а другие два провода – это питание с блока питания Bat1 (YaXun)

Как вы помните, лампочка у нас потребляла силу тока в 0,23 Ампер при прямом включении ее к блоку питания. Сейчас же она кажет почти то же самое значение с небольшой погрешностью. Но можно все равно сказать, что при открытом транзисторном ключе сопротивление коллектора-эмиттера очень мало. То есть все напряжение поступает на лампу.

Так как амперметр на YaXun стрелочный и не может измерять очень маленькие значение тока, то воспользуемся мультиметром и посмотрим, сколько же потребляет наш транзистор в режиме полного открытия. Для этого ставим мультиметр в разрыв цепи. Более подробно, как измерять силу тока и напряжение мультиметром, вы можете прочитать в этой статье.

Мы получили 4,5 мА. Очень близко к расчетному 4,7 мА. Не забываем подтянуть базу к земле резистором большим номиналом R_БЭ, иначе база может поймать помеху и открыть невзначай транзистор, что приведет к ложному срабатыванию. В нашем случае мы берем резистор от 10 кОм и более.

Ну все, такой транзисторный ключ будет уже защищен от ложных срабатываний и его можно использовать в своих электронных безделушках.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор R_БЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Заключение

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.

www.ruselectronic.com

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Ключевой режим работы транзистора, наверное, один из самых простых (с точки зрения поддержания параметров) и в тоже время очень часто встречающихся из режимов работы транзистора. По своей сути транзистор большую часть времени находится лишь в двух состояниях: отсечки и насыщения.Ниже показана схема включения транзистора

Использование транзистора в ключевом режиме

но прежде чем начинать описывать работу этой схемы, необходимо задекларировать несколько простых правил, при которых транзистор работает. Правила приведены для транзистора p-n-p-типа, но и для транзистора n-p-n-типа они сохраняются, но с учётом того, что полярность напряжения должна быть изменена на противоположную:

Принцип работы трназистора

• 1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
• 2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
• 3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
• 4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор I_К прямо пропорционален току базы I_Б и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение

не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R_б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h_21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

U_pit – напряжение питания,

R_К – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление базового резистора R_б:

U_вх – напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора

в двух состояниях: насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора, когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде блуждающих токов, да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление R_БЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В. Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.

Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 по­казана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для на­глядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что на­пряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение ²>IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напря­жение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет та­кой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реаль­но можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еле­дует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

Рис. 6.4. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Нет, не все. Схема еще не совсем доделана. Она будет работать нормально, если вы поступите так: подключите базовый резистор к напряжению 5 В (лампочка горит), а затем переключите его к «земле» (лампочка гаснет). Но довольно часто встречается случай, когда напряжение на базовый резистор подается-то нормально, а вот при отключении его резистор не присоединяет­ся к «земле», а просто «повисает в воздухе» (именно этот случай и показан на схеме в виде контактов). Так мы не договаривались — чтобы транзистор был в режиме отсечки, надо, чтобы база и эмиттер имели один и тот же потенци­ал, а какой потенциал у базы, если она «в воздухе»? Это только формально, что ноль, а на самом деле всякие наводки и внутренние процессы в транзи­сторе формируют небольшой базовый ток. И транзистор не закроется полно­стью — лампочка будет слабо светиться! Это раздражающий и очень непри­ятный эффект, который даже может привести к выходу транзистора из строя (а старые германиевые транзисторы приводил с гарантией).

Избежать такого эффекта просто: надо замкнуть базу и эмиттер еще одним резистором Кбэ. Самое интересное, что рассчитывать его практически не на­до — лишь бы падение напряжения на нем при подаче напряжения на базу не составило меньше чем 0,6 В. Чем он больше, тем лучше, но все же сопротив­ление не должно быть слишком велико. Обычно его выбирают примерно в 10 раз больше, чем резистор Re, но если вы здесь поставите не 4,3 кОм, как ука­зано на схеме, а, к примеру, 10 кОм, тоже не ошибетесь. Работать этот рези­стор будет так: если включающее напряжение на Re подано, то он не оказы­вает никакого влияния на работу схемы, так как напряжение между базой и эмиттером все равно 0,6 В, и он только отбирает на себя очень небольшую часть базового тока (легко подсчитать какую — примерно 0,15 мА из 10 мА). А если напряжения нет, то R63 надежно обеспечивает равенство потенциалов базы и эмиттера, независимо от того, подключен ли базовый резистор к «зем­ле» или «висит в воздухе».

Я так подробно остановился на этом моменте потому, что о необходимости наличия резистора R63 при работе в ключевом режиме часто забывают — да­же в очень интересной во всех отношениях книге [16] повсеместно встреча­ется эта ошибка.

Простейшая ключевая схема есть вариант т. н. схемы включения транзистора с общим эмиттером (о. э.). В наших примерах есть два момента, на которые стоит обратить внимание. Во-первых, это подключение базовой цепи к пита­нию от 5 В. Это очень часто встречающийся случай, с которым и в этой кни­ге вам придется иметь дело. Напряжением 5 В обычно питаются распростра­ненные типы контроллеров и логических микросхем, и управление таким напряжением устройствами, которым требуется более высокое питание, чаще всего осуществляется именно по схеме рис. 6.4.

Во-вторых, обратите внимание, что сигнал на коллекторе транзистора инвер­тирован (то есть противоположен по фазе) по отношению к входному сигна­лу. То есть, если на базе (точнее, на базовом резисторе) напряжение имеет­ся — на коллекторе оно равно нулю, и наоборот! Это и имеют в виду, когда говорят, что транзисторный каскад в схеме с общим эмиттером инвертиру­ет сигнал (это относится не только к ключевому, но и к усилительному ре­жиму работы, о котором будет рассказано). При этом на нагрузке (лампочке), которая подключена к питанию, а не к общей для входа и выхода каскада «земле», все в порядке — то есть она горит, когда на входе сигнал есть, так что визуальный сигнал не инвертирован.

Поговорим немного о дарлингтоновских транзисторах. Транзистор Дарлинг­тона (его часто называют транзистор с «супербетой», мы будем называть его и так, и так) есть две транзисторные структуры, включенные каскадно, как показано на рис. 6.5, а. Разумеется, можно соорудить такую структуру само­стоятельно (левый транзистор обычно меньшей мощности, чем правый), но существуют и приборы, выпускаемые промышленно (на рис. 6.5, а общий корпус показан пунктиром). Величина Р для них равна произведению коэф­фициентов усиления для каждого из транзисторов и может составлять до не­скольких тысяч. При использовании таких «супербета»-транзисторов обяза­тельно следует иметь в виду то обстоятельство, что рабочее напряжение ме­жду базой и эмиттером у них будет составлять примерно удвоенную величи­ну от обычного транзистора — то есть 1,2—1,4 В. Сопротивление резистора, как сказано ранее, принципиального значения не имеет и для мощных тран­зисторов может составлять несколько килоом.

Рис. 6.5. Другие схемы подключения: а — транзистор Дарлингтона; б — параллельное включение транзисторов

На рис. 6.5, б приведена редко требующаяся, но весьма полезная схема па­раллельного включения мощных транзисторов с целью увеличения допусти­мого коллекторного тока и рассеиваемой мощности (см. далее). Она немного напоминает схему Дарлингтона, но никакого умножения «бет» там, естест­венно, не происходит— суммируются только предельно допустимые показатели. Так как транзисторы всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через них в этой схеме служат резисторы в эмиттерных цепях, которые нужно выбирать так, чтобы падение напряжения на них при максимальном токе составляло примерно 0,2 В. Естественно, эти резисторы ухудшают КПД, поэтому для таких целей удобнее использовать мощные полевые транзисторы, для которых в аналогичном включении использования резисторов не требуется.

nauchebe.net

Транзисторные ключи. Биполярный транзистор. Работа в режиме ключа.

Транзисторный ключ являются основным компонентом в импульсной преобразовательной технике. В схемах всех импульсных источников питания, которые практически полностью вытеснили трансформаторные источники питания, применяются транзисторные ключи. Примером таких источников питания являются компьютерные блоки питания, зарядные устройства телефонов, ноутбуков, планшетов и т. п. Транзисторные ключи пришли на смену электромагнитных реле, поскольку обладают таким основным преимуществом как отсутствие механических подвижных частей в результате чего увеличивается надежность и долговечность ключа. Кроме того скорость включения и выключения электронных полупроводниковых ключей значительно выше скорости электромагнитных реле.

Также транзисторный ключ часто используется для включения-выключения (коммутации) нагрузки значительной мощности по сигналу микроконтроллера.

Суть электронного ключа заключается в управлении им большой мощностью по сигналу малой мощности.

Существуют полупроводниковые ключи на базе транзисторов, тиристоров, симисторов. Однако в данной статье рассмотрена работа электронного ключа на биполярном транзисторе. В последующих статьях будут рассмотрены и другие типы полупроводниковых ключей.

В зависимости от полупроводниковой структуры биполярные транзисторы разделяют на два вида: p — n — p и n — p — n типа (рис. 1 ).

Рис. 1 – Структуры биполярных транзисторов

В схемах биполярные транзисторы обозначаются, как показано на рис. 2 . Средний вывод называется базой, вывод со “стрелочкой” – эмиттер, оставшийся вывод – коллектор.

Рис. 2 – Обозначение транзисторов в схемах

Также транзисторы условно можно изобразить в виде двух диодов, которые включены встречно, место соединения их всегда будет базой (рис.3 ).

Рис. 3 – Схемы замещения транзисторов диодами

Транзисторный ключ. Схемы включения.

Схемы включения транзисторов разных полупроводниковых структур показаны на рис. 4 . Переход между базой и эмиттером называется эмиттерный переход, а переход между базой и коллектором – коллекторный переход. Для включения (открытия) транзистора необходимо чтобы коллекторный переход был смещен в обратном направлении, а эмиттер – в прямом.

Рис. 4 – Транзисторный ключ. Схемы включения

Напряжение источника питания U ип прикладывается к выводам коллектора и эмиттера U кэ через нагрузочный резистор R к (см. рис. 4 ). Напряжение управления (управляющий сигнал) подается между базой и эмиттером U бэ через токоограничивающий резистор R б .

Когда транзистор работает в ключевом режиме он может находиться в двух состояниях. Первое – это режим отсечки. В это режиме транзистор полностью закрыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно напряжению источника питания. Второе состояние – это режим насыщения. В этом режиме транзистор полностью открыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно падению напряжения на p — n – переходах и для различных транзисторов находится в пределах от сотых до десятых вольта.

На нагрузочной прямой входной статической характеристики транзистора (рис. 5 ) область насыщения находится на отрезке 1-2 , а область отсечки на отрезке 3-4 . Промежуточная область между этими отрезками – область 2-3 называется активной областью. Ею руководствуются когда транзистор работает в режиме усилителя.

Рис. 5 – Входная статическая характеристика транзистора

Для того, чтобы проще запомнить полярность подключения источника питания и напряжения сигнала управления следует обратить внимание на стрелку эмиттера. Она указывает направление протекания тока (рис.6 ).

Рис. 6 – Путь протекания тока через транзисторный ключ

Расчет параметров транзисторного ключа

Для примера работы ключа в качестве нагрузки будем использовать светодиод. Схема его подключения показана на рис. 7 . Обратите внимание на полярность подключения источников питания и светодиода в транзисторах разных полупроводниковых структур.

Рис. 7 – Схемы подключения светодиода к транзисторным ключам

Рассчитаем основные параметры транзисторного ключа, выполненного на транзисторе n — p — n типа. Пусть имеем следующие исходные данные:

— падение напряжения на светодиоде Δ U VD = 2 В ;

— номинальный ток светодиода I VD = 10 мА ;

— напряжение источника питания U ип (на схеме обозначено Uкэ) = 9 В ;

— напряжение входного сигнала U вс = 1,6 В .

Теперь взглянем еще раз на схему, показанную на рис. 7 . Как мы видим, осталось определить сопротивления резисторов в цепи базы и коллектора. Транзистор можно выбрать любой биполярный соответствующей полупроводниковой структуры. Возьмем для примера советский транзистор n — p — n типа МП111Б .

Расчет сопротивления в цепи коллектора транзистора

Сопротивление в цепи коллектора предназначено для ограничения тока, который протекает через светодиод VD , а также для защиты от перегрузки самого транзистора. Поскольку, когда транзистор откроется, ток в его цепи будет ограничиваться только сопротивлением светодиода VD и резистора R к .

Определим сопротивление R к . Оно равно падению напряжения на нем Δ U R к деленному на ток в цепи коллектора I к :

Так коллектора нами задан изначально, – это номинальный ток светодиода. Он не должен превышать I к=10мА .

Теперь найдем падение напряжения на резисторе R к . Оно равно напряжению источник питания U ип (U кэ ) минус падение напряжения на светодиоде Δ U VD и минус падение напряжения на транзисторе ΔU кэ :

Падение напряжение на светодиоде, как и напряжение источника питания изначально заданы и равны 0,2В и 9В соответственно. Падение напряжения для транзистора МП111Б, как и для других советских транзисторов, принимаем равным порядка 0,2 В. Для современный транзисторов (например BC547, BC549, N2222 и других) падение напряжение составляет порядка 0,05 В и ниже.

Падение напряжения на транзисторе можно измерить, когда он полностью открыт, между выводами коллектора и эмиттера и в дальнейшем скорректировать расчет. Но, как мы увидим дальше, сопротивление коллектора можно подобрать более простым методом.

Сопротивление в цепи коллектора равно:

Расчет сопротивления в цепи базы транзистора

Теперь нам осталось определить сопротивление базы R б . Оно равно падению напряжения на самом сопротивлении ΔURб деленному на ток базы I б :

Падение напряжения на базе транзистора равно напряжению входного сигнала Uвс минус падение напряжения на переходе база-эмиттер ΔUбэ . Напряжение входного сигнала задано в исходных данных и равно 1,6 В. Падение напряжения между базой и эмиттером равно порядка 0,6 В.

Далее найдем ток базы Iб . Он равен току коллектора Iб деленному на коэффициент усиления транзистора по току β . Коэффициент усиления для каждого транзистора приводится в даташитах или в справочниках. Еще проще узнать значение β можно воспользовавшись мультиметром. Даже самый простой мультиметр имеет такую функцию. Для данного транзи

electrmaster.ru

2. ключевой режим работы транзистора

Модель БТ для «больших» сигналов строится на основе модели БТ Эбберса-Молла и представляет БТ в виде двух p—n переходов (диодов) и двух управляемых источников тока в коллекторной и эмиттерной цепях.

Токи через диоды определяются соотношениями согласно уравнению Шокли:

(1)

Где – тепловой потенциал ( – постоянная Больцмана, , – заряд электрона).

Найдем токи коллектора и эмиттера из схемы:

(2)

Решив это уравнение относительно токов коллектора и эмиттера, найдем уравнения статических характеристик:

Уравнение входной характеристики:

;

Уравнение выходной характеристики:

Под электронным ключом будем понимать элемент, который под воздействием управляющего сигнала (в виде тока или напряжения) осуществляет коммутацию элементов схемы (пассивных, активных, источников питания и пр.).

В работе электронного ключа следует рассматривать два основных режима: статический режим, определяемый положением рабочих точек на характеристиках электронного ключа в открытом и закрытом состояниях, и динамический режим – при переходе из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Рассмотрим эти режимы на примере ключа на биполярном транзисторе.

Транзисторные ключи в настоящее время применяются для решения многих технических задач в преобразовательной технике, цифровой электронике и пр. Маломощные транзисторные ключи составляют основу дискретных и интегральных цифровых схем, которые решают различные математические и логические задачи.

Транзисторный ключ (ТК) на БТ строится на основе включения транзистора по схеме с ОЭ, см. рис.

На схеме простейшего ТК обозначены барьерные емкости транзистора и источник тока, отражающий тепловой ток коллектора , которые в режиме отсечки примерно равен току базы.

Далее показаны входные и выходные характеристики ТК, позволяющие определить положение рабочей точки в закрытом и открытом состояниях ключа.

На входной характеристике отметим три характерные точки:

1. – граница между режимом отсечки и активным режимом;

2. – Середина области активного режима;

3. – граница между активным режимом и режимом насыщения.

Для кремниевых p—n переходов при комнатной температуре значения характерных точек следующие:

Перечисленные выше цифры хорошо отражают работу ИС с p-n переходами на основе кремния.

Для переходов металл-полупроводник (например, переходы диодов Шоттки):

Режим отсечки.

В закрытом состоянии оба перехода транзистора смещены в обратном направлении. Для этого на вход транзистора необходимо подать близкое к нулю или небольшое отрицательное напряжение.

Для надежности запирания величина отрицательного напряжения выбирается из условия:

где – запирающее напряжение с генератора, – тепловой коллекторный ток. Его величина очень мала, особенно у кремниевых транзисторов (единицы наноампер). Поэтому в закрытом состоянии напряжение на коллекторе практически равно напряжению источника питания .

При повышении напряжения на базе транзистора он начинает отпираться и, начиная с напряжения начинается резкое нарастание тока базы.

С ростом тока базы увеличивается ток коллектора и уменьшается напряжение на коллекторе и транзистор буде находиться в активном режиме. В этом режиме между током базы и коллектора буде выполняться известное соотношение:

Наконец, при некотором управляющем токе (напряжение ) рабочая точка А на выходных характеристиках переместится в такое положение, при котором ток в цепи коллектора практически перестанет зависеть от тока базы, а оба перехода окажутся смещенными в прямом направлении, что является условием для создания режима насыщения.

Режим насыщения.

В этом режиме не все носители заряда, инжектированные эмиттером, попадают в цепь коллектора. Часть из них компенсируется неосновными носителями, идущими из коллектора в базу, что приводит к прекращению роста тока коллектора при дальнейшем росте тока базы.

В режиме насыщения ток базы будет определяться соотношением:

Ток коллектора принимает при этом максимально возможное значение:

На границе насыщения ток коллектора и ток базы связаны соотношением:

Следует отметить, что при превышении тока базы значения приводит к накоплению заряда неосновных носителей в базе, что отражается динамических свойствах транзистора.

Малая величина напряжения на коллекторном переходе транзистора в режиме насыщения обуславливает сравнительно малые потери в нем даже при больших коллекторных токах. Поэтому важно обеспечивать режим насыщения в самых неблагоприятных условиях работы ключа (изменение температуры, разброс параметров элементов и пр.). С этой целью ток базы выбирают с некоторым запасом, чтобы гарантированно обеспечить этот режим. Количественно это определяется коэффициентом, который называется степень насыщения и показывает во сколько раз ток базы больше тока :

Используя уравнения статических характеристик из модели Эбберса –Молла найдем величину напряжения насыщения. Выразим напряжения на открытых p—n переходах используя уравнения (1):

Тогда напряжение между эмиттером и коллектором будет равно:

Отношение обратных токов выразим как отношение коэффициентов :

Используя эту пропорцию и уравнения (2) перепишем формулу для напряжения насыщения:

Введем ещё один параметр, характеризующий степень насыщения:

Опустим несложные математические преобразования и запишем окончательное выражение для напряжения насыщения:

(3)

Для инверсного включения транзистора напряжение насыщение можно найти аналогично, заменяя нормальные параметры инверсными:

Тогда

Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером называют четвертой характерной точкой.

Температурная зависимость напряжения насыщения.

Перепишем выражение (3), выделив из теплового потенциала температуру:

Обозначим символом часть формулы, которая не зависит от температуры:

Тогда выражение (3) представим в виде температурной зависимости:

Очевидно, что является производной по температуре:

Поэтому можно записать:

где – фиксированная температура в градусах Кельвина, – изменение температуры, а ничто иное как напряжение насыщения при заданной температуре, например 25ºС. Таким образом:

Температурная зависимость трех характерных точек.

Температурный сдвиг характерных точек является вполне предсказуемым и позволяет проводить расчеты статических режимов при различных температурах.

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ p-n перехода (ен важно, где он используется, в транзистор-ли в диоде).

Из уравнения Шокли выразим напряжение на переходе:

(4)

Обратный ток зависит от температуры и ширины запрещенной зоны кремния, которая равна . Функционально эту зависимость можно представить следующим образом:

(5)

Здесь – фиксированная температура в градусах Кельвина;

и – значения теплового потенциала при соответствующих температурах и ;

– значение обратного тока при температуре .

Обозначим показатель экспоненты через и выразим значения тепловых потенциалов:

(6)

Подставив в формулу (4) значение из (5) и использовав (6) получим:

Сократив сомножители и преобразовав первое выражение получим:

Подставим значение ширины запрещенной зоны кремния 1.11В и значение получим окончательно:

Введем определение температурного коэффициента напряжения:

Подставляя в эту формулу значения характерных точек можно получить зависимости их значений от температуры.

10

studfiles.net

Работа транзистора в ключевом режиме

РАБОТА ТРАНЗИСТОРА В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

                        Статические характеристики

В ключевом режиме используются схемы ОЭ, ОБ, ОК, но чаще всего схема ОЭ.

Как правило, в ключевом режиме транзистор находится в двух крайних состояниях:

1 Закрытое состояние.

Iб = 0; Iк = Iк0;   Vк ~ Vист.

2. Открытое состояние.

Iб > Iк / b;   Vк = Vнас.,        где 

Этот режим называется режимом насыщения. В нем транзистор теряет свои усилительные свойства и становится по коллекторной цепи малым сопротивлением. Сопротивление коллекторного перехода уменьшается до десятков ом у маломощных транзисторов до долей ома у мощных.

Пример:          КТ3102      Iб = 1 мА, Iк = 10 мА, Vнас. £ 0.1 В, Rнас. =  10 ом

КТ818А    Iб = 0.5 А, Iк = 3 А, Vнас. 0.3 ¸ 0.5 В, Rнас. ~ 0.1 ом

Коэффициент насыщения транзистора:

        

Пример: КТ3102. b = 100 — 250

                   S = 100 ∙ 1.0/10 = 10

Для маломощных транзисторов S = 5 – 20, для мощных транзисторных ключей b = 2 — 3.

Распределение потенциала.

 Vбэ нас. = 1 В.  Пусть Vкэ нас. = 0.4 В, тогда Vкб = -0.6 В. Коллекторный  переход смещается в прямом направлении и тоже начинает инжектировать в область базы не основные носители. Это приводит к существенному уменьшению сопротивления между эмиттером и коллектором транзистора.

Расчет схем по постоянному току в ключевом режиме.

Необходимо обеспечить надежное запирание транзистора с учетом возможного увеличения обратного тока коллектора Iк0 с ростом температуры. Если между базой и эмиттером транзистора включено сопротивление Rб, то ток Iк0  создает на нем падение напряжение Vбэ = Iк0 * Rб. Транзистор будет заперт, если выполняется условие:

Vбэ £  (3 – 4) ∙ ft;                где ft = 25 мВ — температурный потенциал.

Надежный переход транзистора в насыщенное состояние при минимальном значении bмин.  для  данного типа транзистора обеспечивается при:

           Iб ³

Пример: Обеспечить ключевой режим транзистора.

1. Транзистор открыт:

Iк » Епит/R = 10 мА

Iб = Iк ∙  S/b = 10 ∙ 10/100 = 1 мА.

Rб = (3В – Vбэнас.)/Iб = (3-1)/10 ^-3 = 2кОм.

2. Транзистор закрыт:

Vбэ = Iк0 ∙  Rб = 2Е-6 А * 2Е+3 = 4 мВ< 3ft

Cуществование режима насыщения транзистора приводит к появлению некоторых важных особенностей во временных характеристиках его переключения. Оказывается, процессы включения выключения имеют инерционных характер, что объясняется наличием накопленного заряда неосновных носителей Q в базе.

Накопление заряда Q в базе транзистора аналогично процессам в диоде:

              при          Iб = const

                                                               t ® ∞

                                                                                                     Q ® Iб∙tb

Известна также другое соотношение

 = // =

tb —  постоянная времени накопления заряда с общим эмиттером.

ta — постоянная времени накопления заряда с общей базой

ta = 1/(2p×fгр.), где fгр. – граничная частота транзистора – частота, на которой бета транзистора становится равным единице. На этой частоте транзистор теряет свои усилительные свойства.

Отпирание транзистора

Случай ненасыщенного режима: Пусть при t = 0,    Q = 0. Тогда, решая дифференциальное уравнение, можно найти:        (от 0.1 до 0.9)Vфронта Случай насыщенного режима: Iк << bIб – ток коллектора увеличивается также по экспоненте, но рост прекращается при Iк = Время включения транзистора может значительно уменьшиться.

                 

Если   tb = ta ∙ b, то в пределе можно получить:

             

Следует заметить, что переходные процессы при этом не кончаются, и еще в течение некоторого времени dt = (2 – 3) ∙ tb продолжается накопление заряда в базе транзистора. Этот процесс можно наблюдать по медленному спаданию коллекторного и базового напряжений до установившегося значения, при этом dV = 0.2 – 0.5 В  в зависимости от типа транзистора.

Замечание. Все предыдущие рассуждения касались тока транзистора. Если рассчитывается переходной процесс напряжения коллектора, то надо учитывать влияние коллекторной емкости, иначе ошибки будут большими. В реальной схеме ключа (см рисунок) во время переходного процесса при включении транзистора ток базы тратится на

·  на увеличение накопленного заряда в базе (ток I1)

·  на зарядку емкости коллекторного перехода транзистора Ск при изменении коллекторного напряжения от Епит. до Vк_насыщ (ток I2).

       Влияние Ск приводит к увеличению времени включения на величину :                      

Таким образом, общее время включение будет равно:

                                 

Например,  для транзистора КТ3102:

Ск = 7пф,  Епит = 10В,  Vнас. = 0,   S = 10,  Iб = 1 мА,   Iк = 10 мА.

f_a= 200 ∙ 10 ⁶ Гц.     = 0,8нсек,        f _b =  ∙ b = 80 нсек.

Запирание транзистора

Случай ненасыщенного режима – рассчитывается так же, как и при отпирании, при этом надо также учитывать перезарядку емкостей переходов и монтажных емкостей.

Насыщенный транзистор.

Пусть входной ток Iб1 скачком меняется от Iб1 до Iб2, имеющего отрицательную величину. Тогда накопленный заряд в базе будет рассасываться в результате:

а.  Рекомбинации неосновных носителей в базе.

б.  Возвращения их обратно в эмиттер за счет Iб2.

Ток в коллекторной цепи, как и напряжение на коллекторе,  пока заряд в базовой области не достигнет величины  , меняется мало, так что можно считать его постоянным.  После этого коллекторный ток начнет уменьшаться. Интервал времени, в течение которого накопленный заряд в базе  Qб уменьшается до Q_{граничн}. называется временем выхода из насыщения и его можно получить из соотношения:

Решение можно получить из дифференциального уравнения для запирания диода в предыдущей лекции. Предполагается, что транзистор был включен достаточно долго перед выключением (tвкл > (2 – 3) tb.

t₂ определим, воспользовавшись формулой из предыдущей лекции.

Нужно кроме того помнить, что так же,  как и для случая включения транзистора в ненасыщенном режиме,  время t₂ увеличивается за счет влияния коллекторной емкости, разряжаемой током I_б2.

Пример: Iб₁ = — Iб₂ = 1 мА.  Iк = 10 мА, S = 10.

t₁ + t₂ = 80 ∙ 10^{– 9}    ∙ ln(2) + 80 ∙ 10 ^{– 9}  ∙

Зависимость величины постоянной времени t_b от температуры приводит к  нестабильности задержки переключения транзистора. Нестабильность источников питания тоже может вызывать тот же эффект.  В мостовых схемах накопление заряда в базе вызывает появление «сквозных»  токов, когда один из транзисторов уже включен, а другой еще не успел выйти из насыщения и еще открыт. Сквозной ток приводит к разогреву транзисторов, потреблению дополнительной мощности, при высоких частотах переключения становится заметным появление наводок по питанию.

Для ускорения переключения используется ключ с корректирующей емкостью. Использование емкости позволяет увеличить ток базы в момент переключения транзистора, затем он может быть уменьшен до величины Iк_насыщ/b точностью до разброса b.

Если Rген << Rб и постоянная времени Rген ∙ Сб << tb, то при включении транзистора заряд, прошедший через Сб тратится на:

1.  на зарядку емкости коллекторного перехода Сбк,

vunivere.ru

Экзамен микроэлектроника / Лекции / 2. ключевой режим работы транзистора. Транзистор в ключевом режиме

6.9. Работа транзистора в ключевом режиме

Одна из простейших схем транзисторного ключа приведена на рис. 6.22, а временные диаграммы для этой схемы – на рис. 6.23. Схема с общим эмиттером используется в транзисторном ключе чаще всего потому, что по сравнению с другими схемами может быть получен максимальный коэффициент усиления по мощности.

Рис. 6.22. Схема транзисторного ключа

При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения Ucм (рис. 6.23, а). Состояние отсечки соответствует положению – «разомкнутый контакт». Источник положительного напряжения смещения + Ucм вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока IКО, проходящего через цепь нагрузки. При подаче отрицательного управляющего сигнала (рис. 6.23, б), амплитуда которого превышает значение напряжения смещения, на базу транзистора подается отрицательный сигнал (рис. 6.23, в) и он переходит в состояние насыщения, которое аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора (Uвых) близок к (–UК), в открытом – к (+UК) (рис. 6.23, г).

Для обеспечения режима насыщения необходимо, чтобы значение тока базы соответствовало следующему условию (рис. 6.23, д):

IБ нас  IК нас/мин, (6.16)

где IК нас – ток коллектора в режиме насыщения;

мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.

Рис. 6.23. Временные диаграммы в схеме транзисторного ключа

При открытии транзистора ток эмиттера IЭ появляется практически мгновенно (рис. 6.23, е), его задают в ключевых схемах на 20-30 % больше номинального тока IЭ ном. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение

(6.17)

называется коэффициентом (глубиной) насыщения.

Ток в цепи коллектора (рис. 6.23, ж) появляется позже на время задержки включения (t2 – t1), которое затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных носителей. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают.

Разность (t3 – t2) – время фронта импульса коллекторного тока (на уровне IК=Iк нас заканчивается переходный процесс в коллекторной цепи).

Разность (t4 – t3) – время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать.

Момент окончания переходного процесса в транзисторе соответствует моменту времени t4.

Разность (t4 – t1) – время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода.

Разность (t6 – t5) – время задержки включения, при котором IК = IКнас.

Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента времени t7. После момента времени t5 – подачи запирающего напряжения в коллекторной цепи, и момента времени t7 в цепи эмиттера токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе.

Завершение переходного процесса происходит в момент времени t8.

Разность (t8 – t6) – время спада импульса коллекторного тока.

studfiles.net

Ключевой режим работы биполярного транзистора

Рассмотрим подробнее ключевой режим работы транзистора. На рис. 6.4 по­казана простейшая схема включения транзистора в таком режиме, для на­глядности— с лампочкой в качестве коллекторной нагрузки. Попробуем рассчитать необходимую величину резистора в базе.

Для почти любых схем с биполярными транзисторами характерно, что на­пряжения в схеме никакой роли не играют, только токи. Можно подключить коллекторную нагрузку хоть к напряжению 200 В, а базовый резистор питать от 5-вольтового источника— если соотношение 2>IJh соблюдается, то транзистор (при условии, конечно, что он рассчитан на такое высокое напря­жение) будет послушно переключать 200-вольтовую нагрузку, управляясь от источника 5 В. То есть налицо и усиление сигнала по напряжению!

В нашем примере используется небольшая автомобильная лампочка 12 В, 100 мА (примерно, как для подсветки приборной доски в «Жигулях»), а цепь базы питается от источника 5 В (например, через контакты реле). Расчет та­кой схемы элементарно прост: при токе в коллекторе 100 мА, в базе должно быть минимум 10 мА (рассчитываем на самый «дубовый» транзистор, реаль­но можно и меньше). О падении между базой и эмиттером забывать не еле­дует, поэтому считаем, что напряжение на базовом резисторе Re составит 5 В – 0,6 В = 4,4 В, то есть нужное сопротивление будет 440 Ом. Выбираем ближайшее меньшее из стандартного ряда и получаем 430 Ом. Все?

10i5.ru

No related posts.