В импульсных устройствах очень часто можно встретить транзисторные ключи. Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в других электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ выполняет свою функцию, и в зависимости от режима работы транзистора, схема ключа в целом может меняться, однако основная принципиальная схема транзисторного ключа - следующая:
Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа - это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.
В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние - состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние - состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в другое, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.
Статические состояния описываются в соответствии со статическими характеристиками транзистора. Характеристик две: семейство выходных - зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных - зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.
Для режима отсечки характерно смещение обеих p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка - это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превышает пороговое и имеет полярность обратную рабочей. В таком состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.
При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов больше чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в соответствии с нижней кривой из семейства выходных характеристик, эту кривую так и называют «характеристика отсечки».
Для примера проведем упрощенный расчет для ключевого режима транзистора, который будет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет длительное время находиться лишь в одном из двух главных состояний: полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка).
Пусть нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В будет составлять 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пусть разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет исходя из того, что реле включат один раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:
Iк = (Uпит-Uкэнас) / Rн.
Где: Iк - постоянный ток коллектора; Uпит - напряжение питания (12 вольт); Uкэнас - напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн - сопротивление нагрузки (400 Ом).
Получаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.
Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.
Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где h21э – статический коэффициент передачи по току.
Современные мультиметры позволяют измерять этот параметр, и в нашем случае он составил 50. Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для надежности взять минимальное из документации на данный транзистор.
Чтобы нужно определить необходимое значение резистора базы. Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет осуществляться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для обеспечения требуемого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получим:
R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом
Выберем в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из стандартного ряда резистор 6,8 кОм.
НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было надежным, будем применять дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит необходимо понизить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:
R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+Uбэнас/R2)
R1 = (5-1) / (0,000574+1/6800) = 5547 Ом.
Пусть будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.
Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радиатор транзистору не потребуется.
О какой нагрузке идет речь? Да о любой — релюшки, лампочки, соленоиды, двигатели, сразу несколько светодиодов или сверхмощный силовой светодиод-прожектор. Короче, все что потребляет больше 15мА и/или требует напряжения питания больше 5 вольт.
Вот взять, например, реле. Пусть это будет BS-115C. Ток обмотки порядка 80мА, напряжение обмотки 12 вольт. Максимальное напряжение контактов 250В и 10А.
Подключение реле к микроконтроллеру это задача которая возникала практически у каждого. Одна проблема — микроконтроллер не может обеспечить мощность необходимую для нормальной работы катушки. Максимальный ток который может пропустить через себя выход контроллера редко превышает 20мА и это еще считается круто — мощный выход. Обычно не более 10мА. Да напряжение у нас тут не выше 5 вольт, а релюшке требуется целых 12. Бывают, конечно, реле и на пять вольт, но тока жрут больше раза в два. В общем, куда реле не целуй - везде жопа. Что делать?
Первое что приходит на ум — поставить транзистор. Верное решение — транзистор можно подобрать на сотни миллиампер, а то и на амперы. Если не хватает одного транзистора, то их можно включать каскадами, когда слабый открывает более сильный.
Поскольку у нас принято, что 1 это включено, а 0 выключено (это логично, хотя и противоречит моей давней привычке, пришедшей еще с архитектуры AT89C51), то 1 у нас будет подавать питание, а 0 снимать нагрузку. Возьмем биполярный транзистор. Реле требуется 80мА, поэтому ищем транзистор с коллекторным током более 80мА. В импортных даташитах этот параметр называется I c , в наших I к. Первое что пришло на ум — КТ315 — шедевральный совковый транзистор который применялся практически везде:) Оранжевенький такой. Стоит не более одного рубля. Также прокатит КТ3107 с любым буквенным индексом или импортный BC546 (а также BC547, BC548, BC549). У транзистора, в первую очередь, надо определить назначение выводов. Где у него коллектор, где база, а где эмиттер. Сделать это лучше всего по даташиту или справочнику. Вот, например, кусок из даташита:
Если смотреть на его лицевую сторону, та что с надписями, и держать ножками вниз, то выводы, слева направо: Эмиттер, Колектор, База.
Берем транзистор и подключаем его по такой схеме:
 |
Коллектор к нагрузке, эмиттер, тот что со стрелочкой, на землю. А базу на выход контроллера.
Транзистор это усилитель тока, то есть если мы пропустим через цепь База-Эмиттер ток, то через цепь Колектор-Эмиттер сможет пройти ток равный входному, помноженному на коэффициент усиления h fe .
h fe для этого транзистора составляет несколько сотен. Что то около 300, точно не помню.
Максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы = 5 вольт (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе тут можно пренебречь). Сопротивление в базовой цепи равно 10000 Ом. Значит ток, по закону Ома, будет равен 5/10000=0.0005А или 0.5мА — совершенно незначительный ток от которого контроллер даже не вспотеет. А на выходе в этот момент времени будет I c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150А. 150мА больше чем чем 100мА, но это всего лишь означает, что транзистор откроется нараспашку и выдаст максимум что может. А значит наша релюха получит питание сполна.
Все счастливы, все довольны? А вот нет, есть тут западло. В реле же в качестве исполнительного элемента используется катушка. А катушка имеет неслабую индуктивность, так что резко оборвать ток в ней невозможно. Если это попытаться сделать, то потенциальная энергия, накопленная в электромагнитом поле, вылезет в другом месте. При нулевом токе обрыва, этим местом будет напряжение — при резком прерывании тока, на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Если ток обрывается механическим контактом, то будет воздушный пробой — искра. А если обрывать транзистором, то его просто напросто угробит.
Надо что то делать, куда то девать энергию катушки. Не проблема, замкнм ее на себя же, поставив диод. При нормальной работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в другую сторону и пройдет через диод.
 |
Правда эти игры с бросками напряжения гадским образом сказываются на стабильности питающей сети устройства, поэтому имеет смысл возле катушек между плюсом и минусом питания вкрутить электролитический конденсатор на сотню другую микрофарад. Он примет на себя большую часть пульсации.
Красота! Но можно сделать еще лучше — снизить потребление. У реле довольно большой ток срывания с места, а вот ток удержания якоря меньше раза в три. Кому как, а меня давит жаба кормить катушку больше чем она того заслуживает. Это ведь и нагрев и энергозатраты и много еще чего. Берем и вставляем в цепь еще и полярный конденсатор на десяток другой микрофарад с резистором. Что теперь получается:
 |
При открытии транзистора конденсатор С2 еще не заряжен, а значит в момент его заряда он представляет собой почти короткое замыкание и ток через катушку идет без ограничений. Недолго, но этого хватает для срыва якоря реле с места. Потом конденсатор зарядится и превратится в обрыв. А реле будет питаться через резистор ограничивающий ток. Резистор и конденсатор следует подбирать таким образом, чтобы реле четко срабатывало.
После закрытия транзистора конденсатор разряжается через резистор. Из этого следует встречное западло — если сразу же попытаться реле включить, когда конденсатор еще не разрядился, то тока на рывок может и не хватить. Так что тут надо думать с какой скоростью у нас будет щелкать реле. Кондер, конечно, разрядится за доли секунды, но иногда и этого много.
Добавим еще один апгрейд.
При размыкании реле энергия магнитного поля стравливается через диод, только вот при этом в катушке продолжает течь ток, а значит она продолжает держать якорь. Увеличивается время между снятием сигнала управления и отпаданием контактной группы. Западло. Надо сделать препятствие протеканию тока, но такое, чтобы не убило транзистор. Воткнем стабилитрон с напряжением открывания ниже предельного напряжения пробоя транзистора.
Из куска даташита видно, что предельное напряжение Коллектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 составляет 30 вольт. Вкручиваем стабилитрон на 27 вольт — Profit!
В итоге, мы обеспечиваем бросок напряжения на катушке, но он контроллируемый и ниже критической точки пробоя. Тем самым мы значительно (в разы!) снижаем задержку на выключение.
 |
Вот теперь можно довольно потянуться и начать мучительно чесать репу на предмет того как же весь этот хлам разместить на печатной плате… Приходится искать компромиссы и оставлять только то, что нужно в данной схеме. Но это уже инженерное чутье и приходит с опытом.
Разумеется вместо реле можно воткнуть и лампочку и соленоид и даже моторчик, если по току проходит. Реле взято как пример. Ну и, естественно, для лампочки не потребуется весь диодно-конденсаторный обвес.
Пока хватит. В следующий раз расскажу про Дарлингтоновские сборки и MOSFET ключи.
Транзисторные ключи построенные на биполярных или полевых транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные, а также на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом. Все транзисторные ключи могут работать в двух режимах: статическом и динамическом.
На их основе ТК базируется принцип работы триггеров, мультивибраторов, коммутаторов, блокинг-генераторы и многих других элементов. В зависимости от назначения и особенностей работы схемы ТК могут отличаться друг от друга.
ТК предназначен для коммутации цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов, смотри схему выше. Любой ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два главных состояния: разомкнутое, ему соответствует режим отсечки транзистора (VT - закрыт), и замкнутое, характеризуется режимом насыщения или режимом, приближенном к нему. В течение всего процесса переключения ТК работает в активном режиме.
Рассмотрим работу ключа на основе биполярного транзистора. Если на базе отсутствует напряжение относительно эмиттера, транзистор закрыт, ток через него не течет, на коллекторе всё напряжение питания, т.е. максимальный уровень сигнала.
Как только на базу транзистора поступает управляющий электрический сигнал, он открывается, начинает течь ток коллектор-эмиттер и происходит падение напряжения на внутреннем сопротивлении коллектора, затем, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе схемы, снижаются до низкого уровня.
Для практики соберем простую схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе. Используем для этого биполярный транзистор КТ817, резистор в коллекторной цепи питания номиналом 1 кОм, а по входу сопротивлением 270 Ом.
В открытом состоянии транзистора на выходе схемы имеем полное напряжение источника питания. При поступлении сигнала на управляющий вход напряжение на коллекторе ограничивается до минимума, где-то 0,6 вольт.
Кроме того, ТК можно реализовать и на полевых транзисторах. Принцип их работы почти аналогичен, но ни потребляют значительно меньший ток управления, а кроме того обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных частей, но существенно проигрывают в быстродействие по сравнению с биполярными. Транзисторные ключи используются практически в любом спектре радиоэлектронных устройств аналоговых и цифровых коммутаторах сигналов, системах автоматики и контроля, в современной бытовой технике и т.п
Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока лучше всего применять мощные полевые транзисторы. Этот класс полупроводников представлен двумя группами. К первой относят гибриды: биполярные транзисторы с изолированным затвором - БТИЗ или . Во вторую, входят классические полевые (канальные) транзисторы. Рассмотрим в качестве практического примера работу коммутатора нагрузки для сети переменного напряжения 220 вольт на мощном полевом VT типа КП707
Данная конструкция позволяет гальванически развязать цепи управления и цепь 220 вольт. В качестве развязки использованы оптроны TLP521. Кода напряжение на входных клеммах отсутствует, светодиод оптрона не горит, встроенный транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных полевых коммутирующих транзисторов. Поэтому, на их затворах имеется открывающее напряжение, равное уровню напряжения стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае полевики открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности периода переменного напряжения в текущий момент времени. Допусти, на выводе 4 , а на 3 - минус. Тогда ток нагрузки идет от клеммы 3 к 5, через нагрузку и к 6, затем через внутренний защитный диод VT2, через открытый VT1 к клемме 4. При смене периода, ток нагрузки идет уже через диод транзистора VT1 и открытый VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 это безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному уровню напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости. При поступление управляющего сигнала светодиод в оптроне загорается и шунтирует затворы обоих транзисторов. На нагрузку напряжение не поступает.
