Npn транзистор в ключевом режиме: Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Содержание

Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Если нужно использовать транзистор в качестве «реле», то есть чтоб он или был полностью открыт, или полностью закрыт (не проводил ток совсем), лучше всего подключить его в конфигурации с общим эмиттером (если это биполярный транзистор) или с общим истоком, если используем полевой МОП-транзистор. В зависимости от того как требуется управлять нагрузкой и надо выбрать соответствующий транзистор:

NPN (биполярный) или с каналом N-типа (MOSFET), если отрицательный кабель должен быть отключен, а положительный – подключен постоянно,
PNP (биполярный) или с каналом P-типа (MOSFET), если положительный кабель должен быть отключен, а отрицательный подключен постоянно.

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 – 20 В – подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это – подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов – если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 – 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER – UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

Icmax – максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
bMIN – минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
USTER – базовое управляющее напряжение от цепи управления.
UBE – напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
k – коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль – ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 – 100 Ом.

Биполярный транзистор или полевой

Когда следует выбирать биполярный транзистор, а когда – полевой МОП-транзистор? В подавляющем большинстве устройств MOSFET победит – у него низкие потери мощности. Биполярный же транзистор стоит рассмотреть при низком управляющем напряжении (например, 1,8 В).

В схемах с биполярными транзисторами резисторы R1 подключались непосредственно рядом с управляющим выходом, а в случае полевых МОП-транзисторов – между затвором и истоком. В связи с этим они не принимают базовый ток биполярных транзисторов, необходимый для их надлежащего насыщения. С другой стороны, в случае полевых МОП-транзисторов резисторы R1 не оказывают такого большого влияния на их работу, потому что сопротивления R1 и R3 существенно различаются, R1 больше R3.

Далее приведены 4 примера управления Arduino нагрузкой, потребляющей ток до 0,5 А. Все питаются от 5 В.

Если данная нагрузка включает в себя катушку или двигатель, соответствующий защитный диод должен быть обязательно подключен параллельно к ней. Это защитит транзистор от повреждения во время его выключения при возникновении перенапряжения на индуктивности.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм – 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 – 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 – 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Ещё одна проблема возникнет только с транзисторами с каналом P-типа. Для их выключения необходимо довести напряжение затвор-исток до нуля, что предполагает уравнивание потенциала затвора с потенциалом истока. Следовательно, в такой схеме транзисторный исток может быть подключен к тому же напряжению, от которого запитан микроконтроллер, то есть 5 В. Управление транзистором (отключение) будет некорректным, если напряжение затвор-исток слишком сильно отличается от нуля.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример – TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

Npn транзистор в ключевом режиме

Электроника для начинающих Электроника для начинающих. Основы электроники. Занимательная электроника для детей и не только! Электроника для детей. Мастерская юного электронщика.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Подключение транзистора к микроконтроллеру

5 Импульсный режим работы бт (ключевой режим)

Primary Menu

Работа транзистора в ключевом режиме

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Работа транзистора в режиме ключа

Транзисторный ключ

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК РАССЧИТАТЬ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Подключение транзистора к микроконтроллеру

В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора. Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны.

Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого как и у NPN-типа базового тока и отрицательного в отличие от NPN-типа базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током.

Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору. Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC в случае транзистора NPN вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE.

Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока тока базы совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа — втекающий.

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора. Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей. Источник напряжения между базой и эмиттером VBE подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру. Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору VCE. Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже. На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через нагрузочный резистор, RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор.

Базовое напряжения VB, которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор RB, который снова используется для ограничения максимального тока базы. Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер ток должен покинуть базу примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого.

Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже. Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов?

Однако наличие двух различных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор — только его отрицательную половину. Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе.

В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами. Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения. Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине. Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами.

Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:. Эмиттер — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении. Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе B по отношению к его эмиттеру E будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току.

Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

Существует два основных типа транзисторов — биполярные и полевые. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер Э , база Б и коллектор К. На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы активном, насыщении, отсечки коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора. Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода.

Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:. В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:. Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

Одним из наиболее распространенных элементов импульсных и дискретных устройств является транзисторный ключ. Электронные ключи используются для коммутации электрических сигналов. Они бывают аналоговые и цифровые. В качестве ключа могут использоваться как БТ, так и ПТ. Транзисторный ключ имеет два основных состояния: разомкнутое транзистор заперт и замкнутое БТ в состоянии насыщения или близком к нему, ПТ имеет минимальное сопротивление. В активном режиме транзистор работает только в течение короткого времени перехода из одного состояния в другое.

На рис. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером, однако имеет совершенно другие режимы работы, чем в усилительном каскаде. В дискретных схемах обычно установлены пороговые уровни логического нуля UL low — низкий и логической единицы UH high — высокий.

В схеме ключа должны выполняться условия:. Требования 4. При открытом состоянии ключа транзистор должен быть в состоянии насыщения, при этом оба его перехода смещены в прямом направлении. Условие насыщения имеет вид:. Обычно величина Uкэн не превышает десятков — сотен мВ, поэтому в 4.

Степень выполнения неравенства 4. Обычно kн устанавливается равным 2 — 3 для надежного открывания ключа и обеспечения помехоустойчивости открытого состояния. Величина Rк выбирается достаточно малой, чтобы обеспечить быстрый перезаряд барьерной и паразитных емкостей при переключении, однако так, чтобы величина коллекторного тока была не слишком велика.

Кроме того, необходимо учитывать величину сопротивления нагрузки Rн. Соотношение между Rк и Rн определяет уровень выходного напряжения в закрытом состоянии:. Запас помехоустойчивости закрытого ключа определяется входной характеристикой транзистора. При комнатной температуре наибольшее входное напряжение кремниевого транзистора, при котором он еще остается надежно закрытым, составляет примерно 0,4 В.

При необходимости повышения запаса помехоустойчивости можно выполнить базовую цепь в виде делителя напряжения рис. Более эффективным является включение последовательно с базой одного или нескольких диодов рис. Применяется также подача запирающего напряжения смещения Uсм рис. Динамические свойства ключей являются существенными при высокой частоте переключения. Различают несколько временных интервалов, характеризующих работу ключа в импульсном режиме рис.

Их значения определяются в основном процессами перезаряда паразитных емкостей, складывающихся из емкостей переходов и монтажа, причем длительность фронта существенно больше, поскольку ток перезаряда при запирании транзистора ограничен величиной Rк. Время рассасывания неосновных носителей в базе tр зависит от тока базы и степени насыщения транзистора. Величина tр играет основную роль в задержке фронта.

Обычно быстродействие ключей характеризуют усредненным параметром: так называемой задержкой распространения сигнала:. Использование форсирующего конденсатора в цепи базы рис. В момент отпирания транзистора в базу на короткое время подается увеличенный ток, в то же время стационарный ток базы остается неизменным.

Это позволяет ускорить процесс заряда барьерных емкостей, не увеличивая степень насыщения транзистора. При спаде входного напряжения до нуля на базе формируется отрицательный выброс, что ускоряет рассасывание носителей в базе.

5 Импульсный режим работы бт (ключевой режим)

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства. Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе БТ. Одно из распространённых их применений — согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами , семисегментными индикаторами , шаговыми двигателями и т. Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Включение биполярного транзистора в ключевом режиме. Что необходимо изменить в схеме, если вместо n-p-n транзистора КТ

Primary Menu

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Биполярные транзисторы. For dummies Электроника для начинающих Предисловие Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах. Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Работа транзистора в ключевом режиме

Для усиления электрических импульсов используются полупроводниковые триоды. Так как работает транзистор за счет изменения напряжения в сети, он может регулировать силу тока в определенном электрическом устройстве. Транзистор — это полупроводниковый активный радиоэлемент, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала его частоты и силы. Его еще называют полупроводниковым триодом.

В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу.

Биполярные транзисторы.Часть 2. Ключевой каскад.

Работа биполярного транзистора в ключевом режиме. При построении транзисторных ключей наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером. На рис. Нагрузочная прямая, соответствующая выбранному значению сопротивления R H. В соответствии со сказанным для работы в ключевом режиме рабочая точка Н С режим насыщения , либо правее точки О Т режим отсечки.

Работа транзистора в режиме ключа

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой. 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. То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку — сигнал есть, отжали пипку — сигнала нет.

Как подключить транзистор к микроконтроллеру и зачем подключают транзистор Также биполярные транзисторы имеют разную структуру — p-n-p или n-p-n. Когда транзистор работает в ключевом режиме, то обычно к выходу.

Транзисторный ключ

Собственно, нужно реализовать электронный ключ выключатель. Его я собрался делать на биполярном транзисторе, но не получается заставить его работать. Идея в чем: управляющее напряжение равняется около 5В.

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.

Информация содержит все, необходимые для подбора компонентов и проведения инженерных расчетов, параметры, а также цоколевку корпусов, типовые схемы включения и рекомендации по использованию радиоэлементов. Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

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. 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:.

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео.

Работа транзистора в качестве переключателя

В этом уроке по транзистору мы узнаем о работе транзистора в качестве переключателя. Переключение и усиление — это две области применения транзисторов, а транзистор в качестве переключателя является основой для многих цифровых схем. Мы изучим различные режимы работы (активный, насыщение и отсечка) транзистора, как транзистор работает в качестве переключателя (как NPN, так и PNP) и некоторые схемы практического применения, использующие транзистор в качестве переключателя.

Краткое описание

Введение

Транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые устройства с тремя выводами, которые часто используются в операциях усиления сигналов и коммутации. Как одно из важных электронных устройств, транзистор нашел применение в огромном диапазоне приложений, таких как встроенные системы, цифровые схемы и системы управления.

Вы можете найти транзисторы как в цифровых, так и в аналоговых доменах, поскольку они широко используются для различных применений, таких как схемы переключения, схемы усилителей, схемы питания, цифровые логические схемы, регуляторы напряжения, схемы генераторов и так далее.

Эта статья в основном посвящена переключающему действию транзистора и дает краткое описание транзистора как переключателя.

Краткое примечание о BJT

Существует два основных семейства транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Биполярный переходной транзистор или просто BJT представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами и двумя переходами. Он состоит из двух PN-переходов, соединенных встречно-параллельно с общим средним слоем.

Всякий раз, когда мы говорим термин «транзистор», он часто относится к BJT. Это устройство, управляемое током, где выходной ток контролируется входным током. Название «биполярный» указывает на то, что два типа носителей заряда, т. е. электроны и дырки, проводят ток в BJT, где дырки являются носителями положительного заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда.

Транзистор имеет три области: базу, эмиттер и коллектор. Эмиттер представляет собой сильно легированную клемму и испускает электроны в базу. Базовый терминал слегка легирован и пропускает электроны, инжектированные из эмиттера, на коллектор. Терминал коллектора умеренно легирован и собирает электроны с базы. Этот коллектор большой по сравнению с двумя другими областями, поэтому он может рассеивать больше тепла.

BJT бывают двух типов: NPN и PNP. Оба они работают одинаково, но различаются с точки зрения смещения и полярности источника питания. В PNP-транзисторе материал N-типа зажат между двумя материалами P-типа, тогда как в случае NPN-транзистора материал P-типа зажат между двумя материалами N-типа.

Эти два транзистора могут быть сконфигурированы в различные типы, такие как конфигурации с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

Если вы хотите использовать MOSFET в качестве коммутатора, сначала изучите основы MOSFET.

Режимы работы транзисторов

В зависимости от условий смещения, таких как прямое или обратное, транзисторы имеют три основных режима работы, а именно области отсечки, активные области и области насыщения.

Активный режим

В этом режиме транзистор обычно используется в качестве усилителя тока. В активном режиме два перехода смещены по-разному, что означает, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база смещен в обратном направлении. В этом режиме ток протекает между эмиттером и коллектором, и величина протекающего тока пропорциональна току базы.

Режим отсечки

В этом режиме и переход коллектор-база, и переход эмиттера смещены в обратном направлении. Поскольку оба PN-перехода смещены в обратном направлении, ток практически отсутствует, за исключением небольших токов утечки (обычно порядка нескольких наноампер или пикоампер). BJT в этом режиме выключен и представляет собой разомкнутую цепь.

Зона отсечки в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

Режим насыщения

В этом режиме работы переход эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении. Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру с почти нулевым сопротивлением. В этом режиме транзистор полностью включен и представляет собой замкнутую цепь.

Область насыщения также в основном используется в коммутационных и цифровых логических схемах.

На приведенном ниже рисунке показаны выходные характеристики BJT. На рисунке ниже область отсечки имеет рабочие условия, когда выходной ток коллектора равен нулю, нулевой базовый входной ток и максимальное напряжение коллектора. Эти параметры вызывают большой слой обеднения, который в дальнейшем не позволяет току течь через транзистор. Следовательно, транзистор полностью закрыт.

Аналогично, в области насыщения транзистор смещен таким образом, что прикладывается максимальный ток базы, что приводит к максимальному току коллектора и минимальному напряжению коллектор-эмиттер. Это приводит к тому, что обедненный слой становится маленьким и позволяет максимальному току протекать через транзистор. Следовательно, транзистор полностью открыт.

Таким образом, из приведенного выше обсуждения мы можем сказать, что транзисторы можно заставить работать как твердотельные переключатели ВКЛ/ВЫКЛ, управляя транзистором в областях отсечки и насыщения. Этот тип переключения используется для управления светодиодами, двигателями, лампами, соленоидами и т. д.

Транзистор в качестве переключателя

Транзистор может использоваться для переключения при размыкании или замыкании цепи. Твердотельные переключатели этого типа обеспечивают значительную надежность и более низкую стоимость по сравнению с обычными реле.

В качестве переключателей можно использовать транзисторы NPN и PNP. В некоторых приложениях в качестве переключающего устройства используется силовой транзистор, в этом случае может потребоваться использование другого транзистора уровня сигнала для управления мощным транзистором.

Транзистор NPN в качестве переключателя

В зависимости от напряжения, подаваемого на вывод базы транзистора, выполняется операция переключения. Когда между базой и эмиттером подается достаточное напряжение (V _IN > 0,7 В), напряжение между коллектором и эмиттером приблизительно равно 0. Следовательно, транзистор действует как короткое замыкание. Коллекторный ток V _CC / R _C протекает через транзистор.

Аналогично, когда на входе нет напряжения или нулевое напряжение, транзистор работает в области отсечки и действует как разомкнутая цепь. В этом типе коммутационного соединения нагрузка (в качестве нагрузки используется светодиод) подключается к коммутационному выходу с опорной точкой. Таким образом, когда транзистор включен, ток будет течь от источника к земле через нагрузку.

Пример транзистора NPN в качестве переключателя

Рассмотрим приведенный ниже пример, где сопротивление базы R _B = 50 кОм, сопротивление коллектора R _C = 0,7 кОм, V _CC равно 5 В, а значение бета равно 125. На базу подается входной сигнал, меняющийся от 0В до 5В. Мы увидим выход на коллекторе, изменяя V _I в двух состояниях, то есть 0 и 5 В, как показано на рисунке.

I _C = V _CC / R _C , когда V _CE = 0

I _C = 5 В / 0,7 кОм

I _C = 7,1 мА

Ток базы I _B = I _C / β

I _B = 7,1 мА / 125

I _B = 56,8 мкА

Из приведенных выше расчетов максимальное или пиковое значение тока коллектора в цепи составляет 7,1 мА, когда V _CE равно нулю. И соответствующий ток базы для этого тока коллектора составляет 56,8 мкА.

Итак, понятно, что при увеличении тока базы свыше 56,8 мкА транзистор переходит в режим насыщения.

Рассмотрим случай, когда на вход подается нулевое напряжение. Это приводит к тому, что базовый ток равен нулю, и, поскольку эмиттер заземлен, базовый переход эмиттера не смещен в прямом направлении. Следовательно, транзистор находится в закрытом состоянии, а выходное напряжение коллектора равно 5В.

Когда V _I = 0 В, I _B = 0 и I _С =0,

V _C = V _CC – (I _C * R _C )

= 5 В – 0

= 5 В

Предположим, что входное напряжение составляет 5 вольт, тогда базовый ток можно определить, применив закон Кирхгофа для напряжения.

Когда V _I = 5 В,

I _B = (V _I – V _BE ) / R _B

Для кремниевого транзистора, В _BE = 0,7 В

Таким образом, I _B = (5 В – 0,7 В) / 50 кОм

= 86 мкА, что больше 56,8 мкА

Следовательно, поскольку ток базы превышает ток 56,8 мкА, транзистор будет переведен в состояние насыщения, т. е. он полностью открыт, когда на вход подается напряжение 5 В. Таким образом, выход на коллекторе становится примерно нулевым.

Транзистор PNP в качестве переключателя

Транзистор PNP работает так же, как и NPN для операции переключения, но ток течет от базы. Этот тип переключения используется для конфигураций с отрицательным заземлением. У PNP-транзистора вывод базы всегда смещен отрицательно по отношению к эмиттеру.

При этом переключении базовый ток течет, когда базовое напряжение более отрицательное. Проще говоря, низкое напряжение или более отрицательное напряжение вызывает короткое замыкание транзистора, иначе он будет разомкнут.

При этом нагрузка подключается к транзисторному коммутационному выходу с опорной точкой. Когда транзистор открыт, ток течет от источника через транзистор к нагрузке и, наконец, к земле.

Пример транзистора PNP в качестве переключателя

Подобно схеме транзисторного переключателя NPN, вход схемы PNP также является базой, но эмиттер подключен к постоянному напряжению, а коллектор подключен к земле через нагрузку, как показано на рисунке.

В этой конфигурации база всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру за счет соединения базы с отрицательной стороной и эмиттера с положительной стороной входного источника питания. Итак, напряжение V _BE отрицательное, а напряжение питания эмиттера относительно коллектора положительное (V _CE положительный).

Следовательно, для транзистора проводимость эмиттера должна быть более положительной как по отношению к коллектору, так и по отношению к базе. Другими словами, база должна быть более отрицательной по отношению к эмиттеру.

Для расчета токов базы и коллектора используются следующие выражения.

I _C = I _E – I _B

I _C = β * I _B

I _B = I _C / β

Рассмотрим приведенный выше пример, когда для нагрузки требуется ток 100 мА, а коэффициент бета транзистора равен 100. Тогда ток, необходимый для насыщения транзистора, равен

Минимальный ток базы = ток коллектора / β

= 100 мА / 100

= 1 мА

Следовательно, когда ток базы равен 1 мА, транзистор будет полностью открыт. Но для гарантированного насыщения транзистора требуется практически на 30 процентов больший ток. Итак, в этом примере требуемый базовый ток составляет 1,3 мА.

Практические примеры использования транзистора в качестве переключателя

Транзистор для переключения светодиода

Как обсуждалось ранее, транзистор можно использовать в качестве переключателя. На приведенной ниже схеме показано, как транзистор используется для переключения светоизлучающего диода (светодиода).

Когда переключатель на клемме базы разомкнут, ток через базу не течет, поэтому транзистор находится в запертом состоянии. Следовательно, транзистор действует как разомкнутая цепь, и светодиод гаснет.
Когда ключ замкнут, ток базы начинает течь через транзистор, а затем достигает насыщения, что приводит к включению светодиода.
Резисторы размещены для ограничения токов через базу и светодиод. Также возможно изменять интенсивность светодиода, изменяя сопротивление на пути тока базы.

Транзистор для управления реле

Также можно управлять работой реле с помощью транзистора. При малом схемном расположении транзистор способен подавать питание на катушку реле так, чтобы внешняя нагрузка, подключенная к ней, управлялась.

Рассмотрим приведенную ниже схему, чтобы узнать, как работает транзистор для подачи питания на катушку реле. Вход, подаваемый на базу, приводит к тому, что транзистор переходит в область насыщения, что в дальнейшем приводит к короткому замыканию в цепи. Таким образом, на катушку реле подается питание, и контакты реле срабатывают.
При индуктивных нагрузках, особенно при переключении двигателей и катушек индуктивности, резкое отключение питания может сохранять высокий потенциал на катушке. Это высокое напряжение может нанести значительный ущерб остальной цепи. Следовательно, мы должны использовать диод параллельно с индуктивной нагрузкой, чтобы защитить цепь от индуцированных напряжений индуктивной нагрузки.

Транзистор для управления двигателем

Транзистор также можно использовать для однонаправленного управления и регулирования скорости двигателя постоянного тока путем переключения транзистора через равные промежутки времени, как показано на рисунке ниже.
Как упоминалось выше, двигатель постоянного тока также является индуктивной нагрузкой, поэтому для защиты цепи необходимо установить на нем шунтирующий диод.
Переключая транзистор в области отсечки и насыщения, мы можем многократно включать и выключать двигатель.
Также можно регулировать скорость двигателя от состояния покоя до полной скорости, переключая транзистор на переменную частоту. Мы можем получить частоту переключения от управляющего устройства или микросхемы, такой как микроконтроллер.

У вас есть четкое представление о том, как можно использовать транзистор в качестве переключателя? Мы надеемся, что предоставленная информация с соответствующими изображениями и примерами проясняет всю концепцию переключения транзисторов. Далее, если у вас есть сомнения, предложения и замечания, вы можете написать ниже.

Заключение

Полное руководство по использованию транзистора в качестве переключателя. Изучите основы транзистора с биполярным соединением, области работы транзистора, работу транзисторов NPN и PNP в качестве переключателя, практическое применение переключающего транзистора.

Транзисторы — SparkFun Learn

Авторы:
Джимблом

Избранное

Любимый

Одним из наиболее фундаментальных применений транзистора является его использование для управления потоком энергии к другой части цепи, т. е. использование его в качестве электрического переключателя. Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения/выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными элементами схемы; они используются для изготовления логических вентилей, которые затем используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте рассмотрим самую простую схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход течет в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как обычный переключатель требует физического переключения привода, этот переключатель управляется напряжением на базовом контакте. Вывод ввода-вывода микроконтроллера, такой как в Arduino, можно запрограммировать на переход в высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе превышает 0,6 В (или любое другое значение V _th вашего транзистора), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0,6 В, транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это выглядит как разомкнутая цепь между C и E.

Вышеприведенная схема называется переключателем нижнего плеча , потому что переключатель — наш транзистор — находится на нижнем (земляном) конце цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать PNP-транзистор для создания переключателя верхнего плеча:

Подобно схеме NPN, база является нашим входом, а эмиттер привязан к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору на стороне земли.

Эта схема работает так же хорошо, как переключатель на основе NPN, но есть одно огромное отличие: чтобы включить нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (V _CC (12 В, подключенный к эмиттеру V _E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с питанием 5 В для выключения двигателя с напряжением 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить переключатель , потому что V _B (подключение к управляющему выводу) всегда будет меньше, чем V _E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что в каждой из этих схем используется последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе подобен светодиоду без токоограничивающего резистора.

Вспомним, что в каком-то смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем диод база-эмиттер в прямом направлении, чтобы включить нагрузку. Для включения диода требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток. Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на максимальный ток 10-100 мА, протекающий через них. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток, но достаточно мал, чтобы подавать на базу достаточный ток. Обычно бывает достаточно от 1 мА до 10 мА, но проверьте техническое описание вашего транзистора, чтобы убедиться в этом.

Цифровая логика

Транзисторы можно комбинировать для создания всех наших основных логических элементов: И, ИЛИ и НЕ.

(Примечание. В настоящее время МОП-транзисторы чаще используются для создания логических элементов, чем биполярные транзисторы. МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.) , или вентиль НЕ:

Инвертор, построенный из транзисторов.

Здесь высокое напряжение на базе включит транзистор, который эффективно соединит коллектор с эмиттером. Так как эмиттер соединен с землей напрямую, коллектор тоже будет (правда, чуть выше, где-то около В _CE(sat) ~ 0,05-0,2В). С другой стороны, если вход низкий, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтягивается до VCC

(на самом деле это фундаментальная конфигурация транзистора, называемая с общим эмиттером . Подробнее об этом позже.)

Логический элемент И

Вот пара транзисторов, используемых для создания 2-входового И-вентильного элемента :

2-входового И-вентильного элемента, построенного из транзисторов.

Если один из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора «включены» (базы обоих высокие), то выход схемы также высокий.

ИЛИ-вентиль

И, наконец, 2-входовой ИЛИ-вентиль :

2-входовой ИЛИ-вентиль, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включится и установит на выходе высокий уровень. Если оба транзистора закрыты, то через резистор на выходе подается низкий уровень.

Н-мост

Н-мост представляет собой схему на основе транзисторов, способную управлять двигателями как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная схема — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны быть в состоянии двигаться как вперед , так и назад.

По сути, Н-мост представляет собой комбинацию из четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Догадаетесь, почему он называется Н-мостом?

(Примечание: обычно хорошо спроектированный H-мост включает в себя несколько дополнительных элементов, включая обратноходовые диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если на оба входа подается одинаковое напряжение, выходы на двигатель будут одинаковыми напряжения, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

The H-bridge has a truth table that looks a little like this:

Input A	Input B	Output A	Output B	Motor Direction
0	0	1	1	Stopped (braking)
0	1	1	0	Clockwise
1	0	0	1	Counter-clockwise
1	1	0	0	Stopped (braking)

Oscillators

An oscillator is a circuit that produces a periodic signal that swings between a high and low voltage. Генераторы используются во всех видах схем: от простого мигания светодиода до создания тактового сигнала для управления микроконтроллером. Существует множество способов создания схемы генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух взаимодополняющих колебательных сигналов.

Помимо двух транзисторов, ключом к этой схеме являются конденсаторы. Крышки попеременно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора попеременно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы является прекрасным исследованием работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняет напряжение около В _CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0В. Это позволит C1 разрядиться через коллектор Q1.
Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор с меньшим номиналом — R4.
Когда конденсатор C1 полностью разрядится, его правая пластина поднимется примерно до 0,6 В, что приведет к включению транзистора Q2.
На данный момент мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь мы делаем тот же танец в другую сторону.
Включение Q2 позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
Пока Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в исходное состояние.

Это может быть трудно понять. Вы можете найти другую отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбрав определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и оставив R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Таким образом, при значениях конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора составляет около 1,5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.

Как вы уже, наверное, видите, существует тонна схем, в которых используются транзисторы.