Как работает транзисторный ключ: Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

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.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

Как работает транзисторный ключ

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания U_КЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор R_К. Обратите внимание, положительный потенциал U_КЭ посредством R_К подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания U_КЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора R_К служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением U_БЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Величина U_БЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания U_КЭ и управляющего сигнала U_БЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Входная статическая характеристика

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы U_КЭ. Коллекторный ток I_К близок к нулю. При этом ток в цепи базы I_К также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток I_Кимеет некое значение, которое зависит от величин U_КЭ и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Б, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора R_К и базы R_Б. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Порядок расчета

Расчет начнем с определения сопротивления резистора R_К, который предназначен для ограничения величины тока I_К, протекающего через светодиод VD. R_К находится по закону Ома:

Величина I_К равна I_VD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение U_КЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔU_VD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔU_КЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление R_К:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала R_К = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод I_VD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы R_Б:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔU_Rб и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_Rб:

U_БЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы I_Б необходимо знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниже.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили R_К и R_Б по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

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.

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.

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.

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.

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 вход не подается напряжение 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. 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 поддерживать 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.

Компоненты электроники: использование транзистора в качестве переключателя

Авторы: Doug Lowe и

Обновлено: 26 марта 2016 г. Обычно транзисторы в электронной схеме используются в качестве простых переключателей. Короче говоря, транзистор проводит ток по пути коллектор-эмиттер только тогда, когда к базе приложено напряжение. Когда базовое напряжение отсутствует, переключатель выключен. Когда базовое напряжение присутствует, переключатель включен.

В идеальном переключателе транзистор должен находиться только в одном из двух состояний: выключен или включен. Транзистор закрыт, когда напряжение смещения отсутствует или когда напряжение смещения меньше 0,7 В. Переключатель включен, когда база насыщена, поэтому ток коллектора может протекать без ограничения.

Это схематическая диаграмма схемы, в которой транзистор NPN используется в качестве переключателя, который включает или выключает светодиод.

Посмотрите на эту схему покомпонентно:

• Светодиод: Стандартный красный светодиод диаметром 5 мм. Этот тип светодиодов имеет падение напряжения 1,8 В и рассчитан на максимальный ток 20 мА.

• R1: Этот резистор 330 Ом ограничивает ток через светодиод, чтобы предотвратить его перегорание. Вы можете использовать закон Ома, чтобы рассчитать количество тока, которое позволит протекать через резистор. Поскольку напряжение питания +6 В, а на светодиоде падает 1,8 В, напряжение на резисторе R1 будет 4,2 В (6 – 1,8). Разделив напряжение на сопротивление, вы получите силу тока в амперах, приблизительно 0,0127 А. Умножьте на 1000, чтобы получить силу тока в мА: 12,7 мА, что значительно ниже предела в 20 мА.

• Q1: Это обычный транзистор NPN. Здесь использовался транзистор 2N2222A, но подойдет практически любой NPN-транзистор. R1 и светодиод подключены к коллектору, а эмиттер подключен к земле. Когда транзистор открыт, ток течет через коллектор и эмиттер, зажигая светодиод. Когда транзистор выключен, транзистор действует как изолятор, и светодиод не горит.

• R2: Этот резистор 1 кОм ограничивает ток, протекающий через базу транзистора. Вы можете использовать закон Ома для расчета тока в базе. Поскольку переход база-эмиттер падает примерно на 0,7 В (так же, как диод), напряжение на резисторе R2 составляет 5,3 В. Разделив 5,3 на 1000, мы получим ток 0,0053 А, или 5,3 мА. Таким образом, ток коллектора 12,7 мА (I _CE ) управляется базовым током 5,3 мА (I _BE ).

• SW1: Этот переключатель определяет, может ли ток течь к базе. Замыкание этого ключа включает транзистор, который заставляет ток течь через светодиод. Таким образом, замыкание этого переключателя включает светодиод, даже если переключатель не находится непосредственно в цепи светодиода.

Вам может быть интересно, зачем вам нужен или вы хотите возиться с транзистором в этой схеме. В конце концов, нельзя было просто поставить переключатель в цепь светодиода и избавиться от транзистора и второго резистора? Конечно, вы могли бы, но это противоречило бы принципу, который иллюстрирует эта схема: транзистор позволяет вам использовать небольшой ток для управления гораздо большим.