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.

Электронный ключ на биполярном транзисторе

1. Цель работы Целью работы является экспериментальное исследование статической передаточной

характеристики ключа, переходных процессов при его переключении и способов повышения быстродействия 2. Краткие теоретические сведения

Электронные ключи на биполярных транзисторах широко применяются в электронных ключевых устройствах, предназначенных для включения и выключения цепи нагрузки с помощью входных сигналов. Наибольшее распространение в ключевых схемах имеют транзисторы с ОЭ. Простейшая ключевая схема представляет собой транзисторный каскад усиления, управляемый перепадом входного напряжения.

Схема простейшего ключа на транзисторе n-p-n типа, включенного по схеме с общим эмиттером, показана на рис. 1.

Рис. 1.

В базовой цепи транзистора включены источник входного управляющего напряжения Uвx и резистор Rб, в коллекторной цепи — источник постоянного напряжения Ек и резистор Rк. Изменяя входное напряжения Uвx, можно управлять током коллектора Iк и, следовательно, напряжением на выходе транзисторного ключа Uвых.

2.1 Статический режим

Ключевая cxема в статическом режиме описывается статической передаточной характеристикой Uвых = f(Uвх), представленной на рис.2.

Рис. 2.

Статическая передаточная характеристика снимается при относительно медленных изменениях тока и напряжения. Транзисторный ключ характеризуется двумя устойчивыми состояниями — разомкнутым и замкнутым.

Область отсечки

При входном напряжении Uвх отрицательной полярности (Uвх < 0) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в области отсечки (разомкнутое состояние ключа), ток в коллекторной цепи очень мал (Iкбо порядка 10 мкА), а напряжение

Uвых = EкIкбо Rк~ Eк

(1)

близко к напряжению питания Ек. Активная область

Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания транзистора Uотп, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную область. Выходное напряжение определяется соотношением

UВЫХ=Ек–Iк*Rк=Ек–B*Iботп*Rк,	(2)
где В — коэффициент усиления базового тока, а
Iботп = (Uвх – Uотп) / Rб	(3)
отпирающий базовый ток.

Область насыщения

При достаточно большом положительном напряжении Uвх, когда выполняется условие насыщения транзистора

В*Iботп ≥ Iкн,

(4)

транзистор входит в режим насыщения (режим двойной инжекции), что соответствует замкнутому состоянию ключа. В режиме насыщения напряжение на коллекторе транзистора мало (Uост = 0,05..0,1 В), а ток насыщения коллектора определяется формулой

Iкн = (Eк – Uост) / Rк ≈ Eк / Rк

(5)

Чтобы транзистор не выходил из режима насыщения при изменении его параметров, неравенство (4) должно быть достаточно сильным. Для количественной оценки силы неравенства (4) вводят параметр S — степень насыщения

S = (B*Iботп) / Iкн .	(6)
Значение S = 1 соответствует границе между режимами насыщения и активным. Базовый
ток, соответствующий границе насыщения
Iбгр = Iкн / B .	(7)

На границе насыщения напряжение на коллекторном переходе транзистора Uбк = 0; при S > 1 коллекторный переход смещается в прямом направлении (Uбк > 0).

2.2. Переходный режим При ступенчатом изменении входного напряжения в схеме ключа происходят переходные

процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами: tз — задержка фронта;

tфp — время фронта,

tн — время накопления избыточного заряда; tp — время рассасывания избыточного заряда; tcp — время среза.

Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении входного сигнала показаны на рис.3.

Рис. 3.

Задержка фронта. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого транзистора Свх до напряжения отпирания Uотп. Время задержки фронта определяется

следующим выражением
tз = Свх*Rб*ln( (E1 + E2)/(E2 – Uотп) ) ,	(8)

где входная емкость Свх равна сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов транзистора:

Свх = Сэ + Ск(э) .

(9)

Формирование фронта. На этапе формирования фронта транзистор работает в активном режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток Iботп, а ток коллектора экспоненциально нарастает

Iк(t)=B*Iботп*( 1 – exp(-t/τв) ) ,

(10)

где τв — эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания коллекторного тока.

τв = τβ + τк τβ — время жизни неосновных носителей в базе;

τк = Ск(э)*Rк — постоянная времени коллекторной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Формирование фронта заканчивается,	когда	ток коллектора достигает значения Iкн.
Длительность фронта выражается следующим образом:
tфр = τв*ln( B*Iботп / (B* Iботп – Iкн) ) .		(11)
Накопление избыточного заряда. В	конце этапа формирования фронта транзистор

оказывается на границе области насыщения. После этого начинается процесс накопления избыточного заряда в базовом и коллекторном слоях транзистора. Поскольку внешние токи транзистора на данном этапе практически не изменяются, заряд накапливается благодаря термогенерации носителей, следовательно, скорость накопления определяется средним временем жизни носителей в базовом и коллекторном слоях τср. Процесс

накопления заряда заканчивается через время tн= 3*τср, которое называют временем накопления, при достижении величины заряда Q = Iботп*τср.

Рассасывание избыточного заряда. При переключении входного напряжения от значения Е2 до значения — Е1, заряд, накопленный в базовом и коллекторном слоях, не может

измениться скачком,		следовательно, не изменятся мгновенно и напряжения на
эмиттерном и коллекторном переходах.			В момент переключения входного сигнала на
обоих переходах сохраняются прямые смещения,					близкие к напряжению	отпирания
Uотп. Ток базы изменит направление и примет значение
Iбобр = ( — E1 – Uотп) / Rб .					(12)
Скачок базового тока от значения Iботп до Iбобр (обратный базовый ток) вызывает
рассасывание заряда со скоростью, определяемой постоянной времени τср.						На этапе
рассасывания	заряда ток коллектора и напряжение на коллекторе не меняются. Оконча-
ние этапа рассасывания характеризуется			тем,	что	концентрация избыточных	носителей
на границе	базы с	коллектором падает		до	нуля и на коллекторном	переходе

восстанавливается обратное напряжение (Uбк < 0). После этого начинают уменьшаться коллекторные ток и напряжение. Длительность стадии рассасывания определяется выражением:

tр = τср*ln( (Iботп – Iбобр) / (Iбгр – Iбобр) ) .		(13)
Формирование среза.	По окончании этапа рассасывания	начинается	стадия
формирования среза (tcp),	которая заканчивается запиранием транзистора. При малых

запирающих токах длительность стадии среза определяется формулой: tcp=τв*ln(l + Iбгр / Iбобр) .

Iбобр

При большом значении запирающего тока (Iбобр ≈ Iкн) транзистор оказывается в режиме динамической отсечки, при котором оба перехода смещены в обратном направлении, а в базе в течение некоторого времени сохраняется остаточный заряд. В этом случае формирование среза выходного напряжения происходит с постоянной времени отсечки:

τотс ≈ 0,25*tпр + Ск*Rк ,

где tпр — время пролета носителей заряда через базу. Время среза выражается соотношением

tcp = 2,З*τотс .

Уменьшить время переходных процессов удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора Суск (рис.4), который позволяет увеличить токи базы Iботп и Iбобр на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются.

Рис. 4. 3. Описание стенда

Работа выполняется на универсальном стенде в лаборатории электроники кафедры ЭиЭ. На стенде размещены несколько блоков. Исследуемые цепи собираются на основе одного из блоков (рис.5) универсального стенда и внешних дополнительных приборов и устройств: вольтметров, миллиамперметров, генератора импульсов, двухлучевого осциллографа.

Рис. 5.

4. Рабочее задание 4.1. Снять статическую передаточную характеристику траэис-торного ключа (рис. 6)

Uвых=f(Uвх), контролируя при этом ток базы Iб и напряжение Uкб. Напряжение Uвх изменять от Uвх= 0 до Uвх= 5 В с шагом 0,5 В.

Результаты измерений занести в таблицу 1.

Рис. 6.

							Таблица 1
Uвх[В]	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0
Uвых [В]						а
Iб = Iвх
[мА]
Uкв [В]

Определить ток базы насыщения Iбгр. Построить график передаточной характеристики. 4.2а. Исследовать переходные процессы при разных амплитудах входного импульса. Для этого на вход ключа подать положительные импульсы напряжения от генератора импульсов Uвх. Напряжение генератора импульсов и выходное напряжение электронного ключа (Uкэ) наблюдать на двухлучевом осциллографе. С помощью осциллографа измерить tфр, tp и tсp при трех значениях амплитуды входного напряжения Uвx: 1) Iботп = Iбгр, 2) Uвх приблизительно равно среднему значению между Uвх, соответствующему границе режима насыщения, и Uвх, соответствующему его максимальному значению, 3) Uвхсоответствует его максимальному значению.

4.2б. Параллельно базовому сопротивлению подключить конденсатор и повторить измерение пункта 4.2а.

Результаты измерений tфp, tp и tcp п.п. 4.2а и 4.2б занести в таблицу 2.

Таблица 2

Uвх[В]	tфр		tp		tcp
	а	б	а	б	а	б
1
2
3

Примечание: п.п. 4.2а и 4.2б рекомендуется выполнять параллельно, т.е. установить нужное Uвх при отключенном конденсаторе, измерить, например, tфр, подключить конденсатор и опять измерить tфр и т.д.

4.3. Моделирование характеристик ключа на биполярном транзисторе с помощью программы PSPICE.

4.За. Расчет статической передаточной характеристики. (Данные для транзистора — из лабораторной работы «Изучение характеристик биполярного транзистора». Номиналы сопротивлений, величины источников напряжения, параметры входного импульса соответствуют величинам, используемым при проведении лабораторной работы).

Рассчитать и распечатать зависимость выходного напряжения (узел 3) от входного напряжения (узел 1) (рис.7).

Рис. 7.

Исходные данные для программы PSPICE:

*		Входное		напряжение меняется от 0 до 5 Вольт с шагом 0.1 В
R1			1	2	1k
Rk			4	3	1k
Vsupl		4	0	5V
Ql			3	2	0	kt315
.model		KT3157		NPN(Is-l.e-13		Bf-200 Br-5 Vaf-74 Var-30
+	Rb-230 Re-15			Re-2
+	Cje-1pF		Cjc-3pF		Tf-12.e-9	Tr-7.e-8)
Vin		1	0	0V
*		расчет передаточной характеристики

.DC Vin 0 5 0.1

.PROBE

.end

4.3б. Расчет переходной характеристики Рассчитать и распечатать зависимость выходного напряжения (узел 3) от входного

напряжения (узел 1, рис.7), меняющегося во времени. Исходные данные для программы SPICE:

ключ на биполярном транзисторе * Входное напряжение меняется от 0 до 5 Вольт с шагом 0.1 В

R1	1	2	1k
Rk	4	3	1k
Vsupl		4	0	5V
Ql	3	2	0	kt317
.model		KT317		NPN(Is-l.e-13 Bf-200	Br-5	Vaf-74	Var-30
+	Rb-230		Re-15 Re-2
+	Cje-lpF		Cjc-3pF Tf-12.e-9 TR-7.e-8)
Vin	1	0	PULSE(0V 5V lus 10ns		10ns	lOOus	200us)
* расчет переходной характеристики
.TRAN		0.3us		I8Ous
.PROBE
.end

Двухтранзисторные биполярные ключи в схемах на микроконтроллере

«Один в поле не воин». Так можно символически охарактеризовать однотранзисторные ключи. Естественно, в паре с себе подобными решать поставленные задачи гораздо легче. Введение второго транзистора позволяет снизить требования к разбросу и величине коэффициента передачи А₂1э- Двухтранзисторные ключи широко применяются для коммутации повышенных напряжений, а также для пропускания большого тока через нагрузку.

На Рис. 2.68, a…y приведены схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах к MK.

Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (начало):

а)транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем. Он усиливает ток и через ограничительный резистор R2 подаёт его в базу транзистора VT2, который непосредственно управляет нагрузкой R_H;

б) транзисторы K77, VT2 включены по схеме Дарлингтона (другое название «составной транзистор»). Общее усиление равно произведению коэффициентов передачи Л_21Э обоих транзисторов. Транзистор VT1 обычно ставят маломощный и более высокочастотный, чем VT2. Резистор R1 определяет степень насыщения «пары». Сопротивление резистора R2 выбирается обратно пропорционально току в нагрузке: от нескольких сотен ом до десятков килоом;

в) схема Д.Бокстеля. Диод Шоттки VD1 ускоряет запирание мощного транзистора VT2, повышая в 2…3 раза крутизну фронтов сигнала на частоте 100 кГц. Тем самым нивелируется основной недостаток схем с транзисторами Дарлингтона — низкое быстродействие;

г) аналогично Рис. 2.68, а, но транзистор VT1 открывается при переводе линии MK в режим входа с Z-состоянием или входа с внутренним « pull-up» резистором. В связи с этим уменьшается токовая нагрузка на линию порта, но снижается экономичность за счёт рассеяния дополнительной мощности на резисторе R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

д) «само защищённый ключ» на силовом транзисторе VT2 и ограничивающем транзисторе VT1 Как только ток в нагрузке Л_н превысит определённый порог, например, из-за аварии или замыкания, на резисторе R3 выделяется напряжение, достаточное для открывания транзистора VT1 Он шунтирует базовый переход транзистора VT2, вызывая ограничение выходного тока;

е) двухтактный усилитель импульсов на транзисторах разной структуры; О

ж) транзистор И72открывается с относительно малой задержкой по времени (R2, VD1, C7), а закрывается — с относительно большой задержкой по времени (C7, R3, VT1)\

з) высоковольтный ключ, обеспечивающий фронты импульсов 0.1 МК с при частоте повторения до 1 МГц. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт, а ГТ2закрыт. На время импульса транзистор VT1 открывается и через него быстро разряжается ёмкость нагрузки 7?_н. Диод VD1 исключает протекание сквозных токов через транзисторы VT1, VT2\

и) составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT1, ГТ2обладает сверхбольшим коэффициентом усиления по току. Резистор 7?2гарантированно закрывает транзисторы при НИЗКОМ уровне на выходе MK;

к)транзистор VT1 в открытом состоянии блокирует транзистор VT2. Резистор R1 служит коллекторной нагрузкой транзистора VT1 и ограничителем базового тока для транзистора VT2\ л) мощный двухтактный каскад с буферной логической микросхемой 7)7)7, которая имеет выходы с открытым коллектором. Сигналы с двух линий MK должны быть противофазными. Резисторы R5, 7?6ограничиваюттоки в нагрузке, подключаемой к цепи 6 _вых; О

м) ключ для нагрузки Л_н, которая подключается к источнику отрицательного напряжения. Транзистор VT1 служит эмиттерным повторителем, а транзистор VT2 — усилителем с общей базой. Максимальный ток нагрузки определяется по формуле /_н[мА] = 3.7 /Л,[кОм]. Диод VDJ защищает транзистор VT2 от переполюсовки питания.

н) ключ на транзисторах разной структуры. Резистор R1 определяет ток в нагрузке R_H, но подбирать его надо осторожно, чтобы не превысить ток базы транзистора VT2 при полностью открытом транзисторе VT1 Схема критична к коэффициентам передачи обоих транзисторов;

о) аналогично Рис. 2.68, н, но транзистор VT1 используется как ключ, а не как переменное сопротивление. Ток в нагрузке задаётся резистором R4. Резистор R5 ограничивает начальный пусковой ток транзистора VT2 при большой ёмкостной составляющей нагрузки R_H. Схема не критична к коэффициентам передачи транзисторов. Если в качестве К72используется «суперба» транзистор KT825, то сопротивление R4 следует увеличить до 5.1 …10 кОм;

п) практический пример коммутации высоковольтного напряжения 170 В при низком токе нагрузки при сопртивлении R_H не менее 27 кОм;

p) аналогично Рис. 2.68, н, но с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK; О

О Рис. 2.68. Схемы подключения двухтранзисторных ключей на биполярных транзисторах (окончание):

с) транзисторы VT1 и кТ2работают в противофазе. Напряжение в нагрузку Л_н подаётся через транзистор VT2 и диод VD1, при этом транзистор VT1 должен быть закрыт ВЫСОКИМ уровнем с верхнего выхода MK. Чтобы снять напряжение с нагрузки, транзистор Г72закрывается ВЫСОКИМ уровнем с нижнего выхода MK, после чего транзистор VT1 открывается и через диод VD2 ускоренно разряжает ёмкость нагрузки. Достоинство — высокое быстродействие, возможность быстрой повторной подачи напряжения в нагрузку;

т) на MK подаётся «взвешенное» и отфильтрованное питание в диапазоне 4…4.5 В. Обеспечивают это гасящий стабилитрон VD1 и помехоподавляющий конденсатор C1. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзисторы K77, Г72закрыты, при НИЗКОМ — открыты. Максимально допустимый ток стабилитрона VD1 должен быть таким, чтобы он был больше суммы тока потребления MK, тока через резистор R1 при НИЗКОМ уровне на выходе MK и тока внешних цепей, если они подключены к MK по другим линиям портов;

у) видеоусилитель натранзисторах VT1 и VT2, которые включены по схеме Шиклаи (Sziklai). Это разновидность схемы Дарлингтона, но на транзисторах разной проводимости. Данная «парочка» эквивалентна одному транзистору структуры п—р—п со сверхвысоким коэффициентом усиления Л21Э. Диоды VD1, КД2защищаюттранзисторы от выбросов напряжения, проникающих извне по цепи  ВЫх- Резистор R1 ограничивает ток при случайном коротком замыкании в кабеле, подстыкованном к внешней удалённой нагрузке 75 Ом.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Электротехника: Электронный ключ на кт940.

 Электронный ключ это устройство для коммутации электрических цепей. Рассмотрим схему транзисторного ключа на рисунке1:

Рисунок 1 — Схема транзисторного ключа

При низком напряжении на входе Uвх транзистор VT1 заперт его сопротивление велико и к нагрузке прикладывается напряжение Uвых близкое к напряжению питания. При высоком напряжении на входе Uвх транзистор VT1 открыт его сопротивление мало и к нагрузке прикладывается низкое напряжение Uвых близкое к нулю. Допустим нужен ключ для запуска и остановки электромотора RF-310T-11400 рассчитанного на напряжение 5В, низкое напряжение на входе 0.4В, высокое напряжение на входе 2.4В. Имеется транзистор КТ940А и источник питания с напряжением 5В. Сопротивление Rк найдем из соотношений (1) и (2):
 IКБО=0.05А-максимальный обратный ток коллектора для транзистора КТ940А, E=5В-напряжение источника питания, Iкmax=100мА-максимальный постоянный ток коллектора транзистора КТ940А. Выберем Rк=56Ом. Сопротивление Rб найдем из соотношения (3):
Uвх=2.4В-напряжение на входе.
Выберем Rб=10Ом. Проставим на схеме сопротивления резисторов:

Рисунок 2 — Электронный ключ на транзисторе КТ940А

Если собрать схему на рисунке 2 и через делитель с изменяемым коэффициентом деления ко входу подключить источник с напряжением 3В, к выходу подключить электромотор RF-310T-11400 и задать делителем напряжение на входе 0.4В то ротор мотора будет вращаться:

Если задать делителем напряжение на входе 2.1В то ротор мотора не будет вращаться:

Используемым делителем нельзя выставить напряжение 2.4В при напряжении источника 3В но если ротор вращается при напряжении на входе 2.1В то он будет вращаться и при большем напряжении.

Ключи на биполярных транзисторах: схемы, диаграммы, принцип работы

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств и часто сопровождается пересмотром использующихся схемотехнических решений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и при конструировании устройств информативной электроники.

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напряжения (рис. 3.7).ыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при q_нac = 3;

● чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора.

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину q_наc выбирают из диапазона 1,5 … 2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8). Через u_{бэ.порог} обозначено пороговое напряжение между базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение u_{бэ.порог} соответствует току базы, в 10 раз меньшему тока i_{б.нас.мин}. Через i_{к.порог} обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению u_{бэ.порог}. Интервал t₁…t₂ называют интервалом задержки включения, интервал t₂….t₃ — интервалом формирования фронта, а интервал t₃…t₄ — интервалом накопления заряда. Разность t₃ − t₁ называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора i_к.нас, величиной β транзистора, а также временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллектора на рассматриваемом интервале мал. Указанное явление изменения зарядов условно называют перезарядом барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Однако не следует забывать, что барьерные емкости, как и диффузионные, являются по определению дифференциальными емкостями. Поэтому к термину «перезаряд» следует относиться с осторожностью. Например, если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это не означает, что некомпенсированный заряд в области эмиттерного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости равен нулю при нулевом напряжении). К концу интервала задержки напряжение между базой и эмиттером увеличивается до значения u_{бэ.парог}.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей. Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полупроводникового диода и явления диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта t_ф.

На интервале накопления заряда продолжается накопление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение u_кэнезначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интервалов времени:

t₁ … t₂ — рассасывания заряда;

t₂ … t₃ — формирования спада;

t₃ … t₄ — установления.

Разность t₃ − t₁ называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором R_б. Если пренебречь напряжением u_бэ, то i_б = − U₂ / R_б

На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания t_pac. Чем больше по модулю ток i_б, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток i_к значительно уменьшается, а напряжение на коллекторном переходе и напряжение u_кэ

значительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе приводит к изменению объемных нескомпенсированых зарядов в области этого перехода (говорят, что барьерная коллекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение u_бэ изменяется от величины u_{бэ.порог}  до −U₂. При этом изменяются нескомпенсированные объемные заряды переходов транзистора.

После момента времени t₃ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов транзисторных ключей настоятельно рекомендуется выполнить с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процессы при самых сложных входных сигналах. Ранее для расчета переходных процессов в транзисторных ключах применялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.

Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения нежелательно, так как это удлиняет время выключения. Аналогично время выключения можно уменьшить, увеличивая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, который увеличивает положительную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа поясняют временные диаграммы. Подобные схемы широко используются на практике.