Как работает транзисторный ключ: 3. Транзисторные ключи

Транзисторные ключи. Схема, принцип работы

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или биполярных транзисторов. Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р–n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Биполярные транзисторы: схемы включения. Схема включения…

Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные…

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Что это — транзистор и каково его назначение

Так что такое транзистор ? Многим людям, которые так или иначе сталкиваются с электрическими и…

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Этот параметр зависит от максимальной допустимой частоты, когда может осуществляться переключение сигналов. Это в свою очередь зависит от длительности переходного процесса, что определяется инерционностью транзистора, а также влиянием паразитных параметров. Для характеристики быстродействия логического элемента часто указывают среднее время, которое происходит при задержке сигнала, при его передаче в транзисторный ключ. Схема, отображающая его, обычно именно такой усреднённый диапазон отклика и показывает.

Можно ли собирать частотные преобразователи своими руками?…

Изготовить частотные преобразователи своими руками довольно сложно, так как необходимо очень хорошо. ..

Взаимодействие с другими ключами

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах аналоговых сигналов. Поэтому в них применяются специальные полевые транзисторы, где есть управляющий р–n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

Ключ на биполярном транзисторе. Нагрузочная прямая.

Приветствую всех снова на нашем сайте, сегодня продолжаем активно погружаться в нюансы работы транзисторов и переходим к практическому рассмотрению одной из схем — ключа на биполярном транзисторе.

Суть схемы довольно проста и заключается в том, что как и любой переключатель, транзистор должен находиться в одном из двух состояний — открытом (включенном) или закрытом (выключенном). То есть либо транзистор пропускает ток, либо не пропускает. Приступаем к детальному разбору.

И первым делом рассмотрим непосредственно саму схему:

Здесь у нас используется n-p-n транзистор. А вот вариант для p-n-p:

И по нашей уже устоявшейся традиции будем разбирать все аспекты работы на примере n-p-n транзистора. Суть и основные принципы остаются неизменными и для p-n-p. Так что работаем с этой схемой (здесь мы добавили протекающие по цепи токи):

Как вы уже заметили, схема очень напоминает включение транзистора с общим эмиттером. И действительно именно схема с ОЭ чаще всего используется при построении ключей. Только здесь у нас добавились два резистора (R_б и R_к). Вот с них и начнем.

Зачем нужен резистор в цепи базы?

Итак, нам нужно подать на переход база-эмиттер напряжение прямого смещения. Его величина указывается среди параметров конкретного транзистора и обычно составляет в районе 0.6 В. Также мы знаем, какой управляющий сигнал мы будем подавать на вход для того, чтобы открыть транзистор. Например, при использовании микроконтроллера (возьмем STM32 к примеру) для управления ключом, на входе цепи у нас будет либо 0 В (транзистор в данном случае закрыт), либо 3.3 В (транзистор открыт). В данной схеме сигнал на вход подается не с контроллера, а напрямую с источника напряжения E_{вх} при замыкании переключателя S_1.

Таким образом, получаем, что при 3.3 В на входе напряжение на резисторе R_б составит:

U_{R_б} = E_{вх} \medspace - \medspace U_{бэ}

А теперь вспоминаем, что управление биполярным транзистором осуществляется изменением тока базы — а как его менять? Верно — изменяя сопротивление этого самого резистора. То есть, варьируя сопротивление резистора, мы меняем ток базы и, соответственно, этим самым вносим изменения в работу выходной цепи нашей схемы. Чуть позже мы рассмотрим практический пример для конкретных номиналов и величин и посмотрим на деле, как это работает.

Мы уже несколько раз использовали термины «транзистор открыт» и «закрыт». Понятно, что это означает наличие, либо отсутствие коллекторного тока, но давайте рассмотрим эти понятия применительно к режимам работы транзистора. И тут все достаточно просто:

• для того, чтобы закрыть транзистор, мы стремимся перевести его в режим отсечки
• а чтобы открыть — в режим насыщения

То есть при проектировании ключа на биполярном транзисторе мы преследуем цель переводить транзистор то в режим отсечки, то в режим насыщения в зависимости от управляющего сигнала на входе.

Переходим к рассмотрению коллекторной цепи разбираемой схемы. В данном резистор R_к выполняет роль нагрузки, а также ограничивает ток в цепи во избежания короткого замыкания источника питания E_{вых}. И вот теперь пришло время вспомнить выходные характеристики, которые мы совсем недавно обсуждали:

Но в данном случае выходные параметры схемы определяются помимо всего прочего еще и нагрузкой (то есть резистором R_к). Для коллекторной цепи мы можем записать:

U_{кэ} + I_к R_к = E_{вых}

Или:

I_к = \frac{E_{вых} \medspace - \medspace U_{кэ}}{R_к}

Этим уравнением задается так называемая нагрузочная характеристика цепи. Поскольку резистор — линейный элемент (U_R = I_R R), то характеристика представляет из себя прямую (которую так и называют — нагрузочная прямая). Наносим ее на выходные характеристики транзистора и получаем следующее:

Рабочая точка в данной схеме будем перемещаться по нагрузочной прямой. То есть величины U_{кэ} и I_к могут принимать только те значения, которые соответствуют точкам пересечения выходной характеристики транзистора и нагрузочной прямой. Иначе быть не может.

И по итогу нам нужно обеспечить, чтобы в открытом состоянии рабочая точка оказалась в положении 1. В данном случае падение напряжения U_{кэ} на транзисторе будет минимальным, то есть почти вся полезная мощность от источника окажется на нагрузке. В закрытом же состоянии рабочая точка должна быть в положении 2. Тогда почти все напряжение упадет на транзисторе, а нагрузка будет выключена.

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими аспектами работы ключа на транзисторе, давайте рассмотрим как же на практике производятся расчеты и выбор номиналов элементов.

Добавим в схему полезную нагрузку в виде светодиода. Резистор R_к при этом остается на месте, он будет ограничивать ток через нагрузку и обеспечивать необходимый режим работы:

Пусть для включения светодиода нужно подать на него напряжение 3В (U_д). При этом диод будет потреблять ток, равный 50 мА (I_д). Зададим параметры транзистора (в реальных схемах эти значения берутся из документации на используемый транзистор):

• Коэффициент усиления по току h_{21э} = 100…500 (всегда задан именно диапазон, а не конкретное значение)
• Падение напряжения на переходе база-эмиттер, необходимое для открытия этого перехода: U_{бэ} = 0. 6 \medspace В.
• Напряжение насыщения: U_{кэ \medspace нас} = 0.1 \medspace В.

Мы берем конкретные значения для расчетов, но на практике все бывает несколько иначе. Как вы помните, параметры транзисторов зависят от многих факторов, в частности, от режима работы, а также от температуры. А температура окружающей среды, естественно, может меняться. Определить четкие значения из характеристик при этом бывает не так просто, поэтому нужно стараться обеспечить небольшой запас. К примеру, коэффициент усиления по току при расчете лучше принять равным минимальному из значений, приведенных в даташите. Если коэффициент в реальности будет больше, то это не нарушит работоспособности схемы, конечно, при этом КПД будет ниже, но тем не менее схема будет работать. А если взять максимальное значение h_{21э}, то при определенных условиях может оказаться, что реальное значение оказалось меньше, и его уже недостаточно для обеспечения требуемого режима работы транзистора.

Итак, возвращаемся к примеру. Входными данными для расчета кроме прочего являются напряжения источников. В данном случае:

• E_{вх} = 3.3\medspace В. Я выбрал типовое значение, которое встречается на практике при разработке схем на контроллерах. В этом примере подача и отключение этого напряжения осуществляется переключателем S_1.
• E_{вых} = 9\medspace В.

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

U_{кэ \medspace нас} + U_{R_к} + U_д = E_{вых}

При этом по закону Ома напряжение на резисторе R_{к} :

U_{R_к} = I_к R_к

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

U_{R_к} = I_д R_к

U_{кэ \medspace нас} + I_д R_к + U_д = E_{вых}

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

R_к = \frac{E_{вых} \medspace - \medspace U_д \medspace - \medspace U_{кэ \medspace нас}}{I_д} \enspace= \frac{9 \medspace В \medspace  - \medspace 3 \medspace В \medspace - \medspace 0. 1 \medspace В}{0.05 \medspace А} \medspace\approx 118 \medspace Ом.

Выбираем доступное значение сопротивления из стандартного ряда номиналов и получаем R_{к} = 120\medspace Ом. Причем важно выбирать именно большее значение. Связано это с тем, что если мы берем значение чуть больше рассчитанного, то ток через нагрузку будет немного меньше. Это не приведет ни к каким сбоям в работе. Если же взять меньшее значение сопротивления, то это приведет к тому, что ток и напряжение на нагрузке будут превышать заданные, что уже хуже.

Пересчитаем величину коллекторного тока для выбранного значения сопротивления:

I_к =  \frac{U_{R_к}}{R_к} \medspace = \frac{9 \medspace В \medspace - \medspace 3 \medspace В \medspace - \medspace 0.1 \medspace В}{120 \medspace Ом} \medspace\approx\medspace 49.17 \medspace мА

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

I_б =  \frac{I_к}{h_{21э}} = \frac{49.17 \medspace мА}{100} = 491. 7 \medspace мкА

А падение напряжения на резисторе R_б:

U_{R_б} = E_{вх} \medspace - \medspace 0.6 \medspace В = 3.3 \medspace В \medspace - \medspace 0.6 \medspace В = 2.7 \medspace В

Теперь мы можем легко определить величину сопротивления:

R_б = \frac{U_{R_б}}{I_б}\medspace = \frac{2.7 \medspace В}{491.7 \medspace мкА} \approx 5.49 \medspace КОм

Опять обращаемся к ряду допустимых номиналов. Но теперь нам нужно выбрать значение, меньшее рассчитанного. Если сопротивление резистора будет больше расчетного, то ток базы будет, напротив, меньше. А это может привести к тому, что транзистор откроется не до конца, и во включенном состоянии большая часть напряжения упадет на транзисторе (U_{кэ}), что, конечно, нежелательно.

Поэтому выбираем для резистора базы значение 5.1 КОм. И этот этап расчета был последним 👍 Давайте резюмируем, наши рассчитанные номиналы составили:

• R_{б} = 5.1\medspace КОм
• R_{к} = 120\medspace Ом

Кстати в схеме ключа на транзисторе обычно добавляют резистор между базой и эмиттером, номиналом, например, 10 КОм. Он нужен для подтяжки базы при отсутствии сигнала на входе. В нашем примере, когда S1 разомкнут, то вход просто висит в воздухе. И под воздействием наводок транзистор будет хаотично открываться и закрываться. Поэтому добавляется резистор подтяжки, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал базы был равен потенциалу эмиттера. В этом случае транзистор будет гарантированно закрыт.

Сегодня мы прошлись по классической схеме, которой я стараюсь придерживаться, то есть — от теории к практике. Надеюсь, что материал был понятен, а если возникнут какие-либо вопросы, пишите в комментарии, будем разбираться.

Что это такое и как это работает

Транзистор как переключатель

Источник: Wikimedia Commons

 

Транзисторы — это устройства, обычно используемые для генерации, управления и усиления электрических сигналов. Но знаете ли вы, что транзисторы могут быть тем, что вам нужно для коммутационных приложений? Да, мы можем заставить транзистор работать как переключатель.

Также транзистор легко использовать в качестве переключателя в любой цепи, и он эффективно работает для замыкания и размыкания ваших ходов. Кроме того, в качестве переключателей можно использовать как транзисторы NPN, так и PNP.

В этой статье вы узнаете все о транзисторных переключателях и о том, как они работают. Даже если это немного сложно, мы разберем его для вас.

Так что держись!

Содержание

Почему мы используем транзисторы в качестве переключателей

У нас есть различные типы переключателей, включая кнопочные переключатели, ползунковые переключатели, тумблеры и т. д. Несмотря на разнообразие элементов управления, почему мы используем транзисторы в качестве переключателей? Поскольку все кнопки имеют одинаковые функции, почему мы предпочитаем транзистор?

Кнопочный переключатель

Источник: Wikimedia Commons

Причина проста. В то время как другие переключатели в основном механические, транзисторные переключатели являются чисто электрическими. Транзисторы не требуют вмешательства человека и могут включаться и выключаться в зависимости от силы тока.

Рабочие зоны

Транзисторные переключатели имеют две рабочие зоны, включая зону отсечки и зону насыщения.

Зона отсечки

Для транзисторных ключей, работающих в области отсечки, условия работы: нулевой ток коллектора на выходе (I _C ), нулевой входной базовый ток (I _g ) и максимальное собираемое напряжение (V _CE ). В этих рабочих условиях ток через устройство не протекает. Кроме того, на схеме имеется большой обедненный слой, из-за которого транзистор полностью отключается.

Характеристики отсечки

• Напряжение база-эмиттер менее 0,7 В
• Переход база-коллектор остается в режиме обратного смещения
• Кроме того, база и вход остаются заземленными (0 В)
• Переход база-эмиттер также остается в режиме обратного смещения
• V _OUT = V _CE = V _CC = «1»
• Транзисторный ключ полностью выключен
• Здесь транзисторы работают как открытый ключ
• Нет протекания тока коллектора (I _C = 0)

На самом деле у транзисторного ключа, работающего в области отсечки или в режиме OFF, два перехода работают в режимах обратного смещения. Кроме того, если вы используете транзистор PNP, потенциал эмиттера будет вреден для базы.

Область насыщения

Когда ваш транзистор работает в области насыщения, он остается в режиме прямого смещения, позволяя серии результатов генерировать небольшой слой обеднения. Кроме того, это позволит максимальному току протекать через транзистор. Таким образом переводя транзисторный ключ в полностью включенное состояние. Результаты, которые приводят к этому эффекту, включают; применяемый максимальный ток базы = максимальный ток коллектора = минимальное падение напряжения коллектор-эмиттер.

Характеристики насыщения

• Можно подключить вход и базу к V _CC
• Транзисторный переключатель полностью включен
• Напряжение база-эмиттер больше 0,7В
• Переход база-коллектор остается в режиме прямого смещения
• Переход база-эмиттер остается в режиме прямого смещения
• Идеальная насыщенность V _CE = 0
• Здесь транзистор работает как замкнутый ключ
• Максимальный ток коллектора = I _C = V _CC /R _L )
• В _{ВЫХ =} В _CE = 0

Таким образом, транзистор, работающий в режиме «включено» или в области насыщения, будет иметь два перехода, работающих в режиме прямого смещения. Напротив, у вас должен быть положительный потенциал эмиттера относительно базы, если это PNP-транзистор.

Как работает транзисторный переключатель?

Когда ваш транзистор работает как твердотельный переключатель SPST (однополюсный на одно направление), вы можете подать нулевой сигнал на базу транзистора, чтобы перевести его в режим OFF. Когда он выключен, он служит разомкнутым выключателем и блокирует протекание тока нулевого коллектора.

Когда вы подаете положительный сигнал на базу, он переводит транзистор в режим ON. Затем транзистор становится замкнутым переключателем и позволяет максимальному току течь по цепи.

Кроме того, существует простой способ переключения любой мощности с умеренной на высокую. Все, что вам нужно сделать, это соединить эмиттерную клемму транзистора непосредственно с землей и соединить транзистор с выходом с открытым коллектором.

Если вы используете свой транзисторный ключ таким образом, вы сможете поглотить любое чрезмерное напряжение на землю. Таким образом, вы можете контролировать любую нагрузку, которую вы подключаете к своей цепи.

NPN-транзистор в качестве переключателя

Интересно, что в качестве переключателей можно использовать как PNP-, так и NPN-транзисторы.

Операции переключения могут происходить только при подаче достаточного напряжения на базу выводов транзистора. Кроме того, когда вы прикладываете достаточное напряжение между эмиттером и землей, напряжение между эмиттером и коллектором будет равно 0. По этой причине транзистор будет служить в качестве короткого замыкания.

Кроме того, подача нулевого напряжения на вход заставит транзистор работать в области отсечки, что сделает его разомкнутой цепью. Вы можете использовать контрольную точку для подключения нагрузки к коммутационному выходу для этого коммутационного соединения.

Включение транзистора позволит току течь через нагрузку от источника к земле.

NPN-транзистор в качестве переключателя

PNP-транзистор в качестве переключателя

 

Работа PNP-транзистора в качестве переключателя аналогична работе NPN-транзистора. Однако разница заключается в том, что ток течет от базы. Следовательно, вы можете использовать этот тип операции переключения для конфигураций с отрицательным заземлением.

Кроме того, в случае PNP-транзистора вывод базы всегда находится в режиме отрицательного смещения на основе эмиттера.

Ток будет течь только при отрицательном базовом напряжении для операции переключения PNP. Почему? Потому что вы используете точку отсчета для подключения транзистора к коммутационному выходу. Следовательно, при включении транзистора ток будет протекать через транзистор от источника, прежде чем достигнет земли.

 

PNP-транзистор в качестве переключателя Схема

 

Транзистор для переключения светодиода

Кроме того, вы можете использовать транзистор для переключения светодиода. Вот как это работает.

Когда переключатель терминала базы установлен в разомкнутое положение, ток через базу не течет. Таким образом, транзистор будет работать в области отсечки. Следовательно, транзистор будет разомкнут, а светодиод останется выключенным.

В отличие от этого, когда переключатель установлен в замкнутое положение, ток базы будет протекать через транзистор и изменит его работу на область насыщения. Таким образом, светодиод включится.

Кроме того, вы можете использовать резисторы, чтобы ограничить ток, протекающий через базу к светодиоду, чтобы избежать повреждения. Кроме того, вы даже можете регулировать яркость светодиода, изменяя сопротивление на пути базового тока.

Транзистор для переключения светодиодной схемы

Транзистор для управления реле

Интересно, что вы можете управлять работой реле с помощью транзистора. Немного подготовившись, вы запитаете катушку реле транзистором, что позволит вам предотвратить любую дополнительную нагрузку, которую вы подключаете к ней.

Вход, который вы подаете на базу, должен переводить транзистор в режим насыщения, чтобы это работало. Таким образом, вы можете подать питание на катушку и управлять контактами реле.

Внезапное отключение питания от индуктивных нагрузок может привести к сохранению высокого напряжения на катушке реле. Кроме того, постоянное высокое напряжение потенциально может разрушить вашу схему. По этой причине вам необходимо подключить диод параллельно индуктивной нагрузке. К счастью, вы можете использовать это для защиты своего курса от напряжений, генерируемых индуктивной нагрузкой.

Схема цепи транзистора для управления реле

Транзистор для привода двигателей

Наконец, вы можете использовать транзистор для регулирования и контроля скорости двигателя постоянного тока. Кроме того, вы можете сделать это однонаправленным, переключая транзистор через частые промежутки времени.

Имейте в виду, что двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой. Поэтому вам нужно соединить его с диодом, если вы хотите защитить свою схему.

Теперь вы можете включать и выключать двигатель постоянного тока, просто переключая транзистор из области насыщения в область отсечки. Кроме того, вы можете изменить транзистор на переменной частоте, чтобы управлять скоростью двигателя от низкой до полной скорости.

Транзисторы для привода электродвигателей Принципиальная схема

Применение

Действительно, основным применением транзисторного переключателя является управление потоком энергии от одной части схемы к другой. По сути, работа транзистора в области насыщения или отсечки создаст эффект включения/выключения любого механического переключателя. Другие области применения транзисторного переключателя включают:

• Цифровые логические элементы

Цифровые логические элементы

Источник: Бесплатный SVG

• Схемы Н-моста
• Осцилляторы

Осциллятор

Источник: Wikimedia Commons

• Сопряжение высоковольтных устройств, таких как двигатели, светодиоды и реле

Реле

Источник: Wikimedia Commons

Заключительные слова

Короче говоря, транзисторы могут служить электрической версией механических переключателей, которые работают на основе тока, а не физического прикосновения. По правде говоря, транзисторные переключатели могут выполнять широкий спектр приложений, даже больше, чем несколько перечисленных выше.

Хотя использовать транзисторный ключ легко, убедитесь, что вы используете маховик, когда имеете дело с индуктивными нагрузками, чтобы не повредить цепь.

Если вы хотите, чтобы ваш транзистор переключился на простую схему и у вас есть еще вопросы, не стесняйтесь обращаться к нам, и мы будем рады помочь.

 

 

Как использовать транзистор в качестве переключателя с примерами схем

Транзистор — это электронный компонент, который также используется в качестве цифрового переключателя. Хотя он работает аналогично простому механическому переключателю. Но этот переключатель управляется цифровым сигналом высокой логики по сравнению с традиционными кнопками. Мы управляем традиционными переключателями вручную, применяя механическое усилие.

Транзистор Введение

Мы разработали этот цифровой переключатель, соединив полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом. Когда мы объединяем полупроводниковые материалы P-типа и N-типа друг с другом, между ними образуется соединение. Этот переход также известен как PN-переход или транзистор. Этот PN-переход управляет протеканием тока через переход. Но этот переход разрывается при подаче надлежащего напряжения смещения на выводы транзистора.

Транзисторы бывают двух типов, такие как NPN и PNP. Это трехполюсное устройство. Эти терминалы:

• База (При использовании в качестве переключателя мы применяем логику управления этой клеммой)
• Коллектор
• Эмиттер

Когда мы подаем напряжение смещения на базовую клемму, PN-переход выходит из строя. После этого ток может протекать между выводами коллектора и эмиттера. В противном случае прямой ток не сможет протекать через устройство.

вы можете проверить эти практичные транзисторы:  2N2222, MPSA42, 2N3906

 Использование транзистора в качестве переключателя

Теперь мы изучим:

• Как использовать транзистор в качестве переключателя в электронных схемах
• Как использовать его в качестве переключателя в проектах микроконтроллеров.

Где использовать?

В любом приложении нам необходимо связать транзистор с микроконтроллером . Но вопрос, который может прийти вам в голову, зачем нам интерфейс  транзистора с микроконтроллером? Потому что выводы микроконтроллера не могут обеспечить выходной ток более 3мА и напряжение более 5В. Если мы хотим подключить нагрузку, которая требует более высокого рабочего тока, более 3 мА, это сожжет микроконтроллер. Многим выходным устройствам потребуется схема переключения транзисторов для работы с нагрузкой, требующей высокого тока, такой как реле, соленоиды и двигатели.

Как им пользоваться?

На этой диаграмме показаны три рабочие области транзистора, такие как область насыщения, активная область и область отсечки. В области насыщения он остается полностью включенным. В области отсечки он остается полностью выключенным. Для целей переключения нам нужно, чтобы это устройство работало либо в полностью включенной, либо в полностью выключенной области. Таким образом, мы можем игнорировать точку Q и переключать ее между областями насыщения и отсечки.

Как работают транзисторы в качестве переключателя?

Как мы видели ранее, мы можем использовать только два региона. Теперь мы увидим, как транзистор работает в этих областях.

Зона отсечки также известна как режим полного ВЫКЛ. В этом режиме он действует как открытый переключатель. Чтобы устройство работало в режиме отсечки, мы должны подключить обратное смещающее напряжение к обоим переходам. Следовательно, в этом рабочем состоянии ток не может протекать между выводами коллектора и эмиттера из-за разомкнутой цепи между этими выводами.

В области насыщения транзистор остается в режиме полного открытия. Максимальный ток может протекать через коллектор к эмиттеру в зависимости от номинальной емкости транзистора. Мы обеспечиваем прямое смещение напряжения между базой и терминалом эмиттера. Он работает как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Напряжение смещения обычно превышает 0,7 вольта.

Пример цифровых логических переключателей

Это устройство на основе PN-перехода имеет множество применений, таких как сопряжение с сильноточной нагрузкой, сопряжение с реле и взаимодействие двигателей через микроконтроллеры. Но во всех этих приложениях основной целью является переключение.

На этой схеме приведен пример управления нагрузками высокой мощности, такими как двигатели, лампы и нагреватели.

• В этой схеме мы хотим управлять нагрузкой 12 вольт от цифровой логической схемы И. Но на выходе логического элемента И всего 5 вольт
• Используя транзистор в качестве переключателя, мы можем управлять 12-вольтовыми или даже высоковольтными нагрузками с помощью 5-вольтового цифрового логического сигнала
• Мы также можем использовать эти устройства для более быстрого переключения и управления широтно-импульсной модуляцией в отличие от традиционных механических переключателей Пример управления двигателем

  В этом примере мы используем управление двигателем постоянного тока с помощью переключателя. Полупроводниковый прибор действует как переключатель. На этой схеме мы можем подать управляющий сигнал с любого микроконтроллера, такого как платы разработки Arduino, STM32F4.

  Резистор с базовой клеммой является токоограничивающим резистором. Потому что контакты GPIO любого микроконтроллера могут обеспечить базовый управляющий ток менее 20 мА. Кроме того, D1 является диодом свободного хода, который регулирует противо-ЭДС двигателя. Он обходит эффект обратной ЭДС. Мы можем использовать любой транзистор в зависимости от номинальной мощности двигателя.

  В заключение, если управляющий сигнал на базовом входе равен 0 вольт. Он подаст сигнал ВКЛ. Потому что мы используем переключатель PNP в этой примерной схеме. Точно так же он останется выключенным, его управляющий сигнал имеет высокий логический уровень.

  Транзистор в качестве переключателя с Arduino Пример

  На этой схеме показано взаимодействие Arduino с транзистором NPN и двигателем. Эта схема предназначена только для демонстрационных целей. Потому что мы обеспечиваем питание нагрузки через питание Arduino. В этом примере мы можем управлять только 5-вольтовым двигателем постоянного тока. Если вам нужно управлять двигателем большой мощности, вы должны использовать специальный силовой транзистор и отдельный блок питания.

  Транзистор как переключатель Моделирование Proteus Пример

  Этот пример является точной копией предыдущей схемы. Но вместо него используется NPN-транзистор. Поэтому управляющие сигналы будут действовать наоборот.

  Транзистор в качестве переключателя Примеры

  В этом разделе мы увидим различные примеры использования транзистора в качестве переключателя.

  Два транзистора в качестве переключателя Пример

  В этой схеме два транзистора. У первого транзистора база заземлена и через нее не может протекать ток. В результате транзистор «заперт», и через лампу не может течь ток. В другом случае в базу течет ток, поэтому транзистор «включен», и ток может протекать через него, что приводит к включению лампочки.

  В этом примере два резистора установлены так, что база транзистора находится под достаточно высоким напряжением, чтобы через него протекал ток, и, как следствие, транзистор открыт. В результате ток течет через лампочку, которая излучает свет.

  Управление током базы транзистора с помощью потенциометра

  В этом случае можно изменять ток, протекающий через базу. Если ток большой, транзистор открыт и лампочка горит. Если указатель на потенциометре перемещается вниз, ток в базе падает до тех пор, пока транзистор не закроется и через лампочку не будет течь ток.

  Реле управления с транзистором в качестве переключателя

  В этом примере принцип такой же, как и в предыдущем примере схемы, за исключением того, что вместо включения и выключения лампочки активируется катушка реле, которая, в свою очередь, включает свет лампочки во вторичной цепи.

  Управление работой транзисторного переключателя с помощью конденсатора

  В этой примерной схеме конденсатор используется для управления током, протекающим к базовой клемме транзистора. Первоначально конденсатор заряжается через резистор над ним. В конце концов верхняя пластина конденсатора достигает такого потенциала, что ток начинает течь в базу транзистора, включая транзистор и заставляя лампочку светиться.

  Следует также отметить, что лампа остается выключенной до тех пор, пока внутри конденсатора не накопится достаточно заряда, который может обеспечить ток включения на базовый вывод транзистора.

  В этом примере схемы конденсатор заряжается до тех пор, пока его нижняя пластина не окажется под таким низким потенциалом, что ток не сможет протекать через базу транзистора. В результате транзистор сначала включен, но затем через некоторое время выключается. В этой и последней схемах присутствует временной эффект. Через определенный промежуток времени, который можно определить выбором резистора и конденсатора, транзистор либо включается, либо выключается.

  Этот пример схемы транзистора в качестве переключателя аналогичен схеме из предыдущего примера, за исключением того, что, изменяя значение переменного резистора, можно изменять время, которое проходит до включения транзистора.

  Видео-лекция

  В приведенной выше схеме логический пробник используется в качестве входа от микроконтроллера, а диод D1 используется в качестве обратного диода, чтобы позволить току течь, когда устройство находится в выключенном состоянии. Помните, что мы использовали 3904 просто для демонстрации. При выборе транзисторов следует учитывать максимальный ток, который может протекать через транзистор во включенном состоянии. Вход микроконтроллера используется только для управления транзистором во включенном или выключенном состоянии, как показано на рисунке ниже.

  Обратите внимание, что обычно к выходному устройству подключается диод для подавления противо-ЭДС. Это важно для таких устройств, как реле, соленоиды и двигатели, которые создают противо-ЭДС, когда питание остается для отключения.

  На практике мы использовали в основном реле для нагрузок с высокими требованиями к току.