Транзисторный силовой ключ. биполярный транзистор. ключевой режим. расчет

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R_б1. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R_б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

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.

Что это такое

Транзистор — это особый элемент электроцепи полупроводникового типа, который служит для изменения основных электрических параметров электротока и для регулирования этих параметров. В стандартном полупроводниковом триоде есть всего 3 вывода: коллектор, инжектор зарядов и базовый элемент, на который собственно и направляются электроны от управления. Также имеются комбинированные транзисторы с большой мощностью. Если обычные элементы, используемые в интегральных схемах, могут быть размером в несколько нанометров, то производственные транзисторы для промышленных предприятий имеют корпус и составляют до 1 сантиметра в ширину. Напряжение обратного типа производственных управляющих триодов достигает 1 тысячи Вольт.

2SD1710 для импульсных блоков питания

Конструкция триода сделана на основе слоев полупроводника, заключенных в корпусе элемента. В качестве полупроводников выступают материалы, в основу которых входит кремний, германий, галлий и некоторые другие химические элементы. В настоящее время проводится множество исследований, которые предлагают в качестве материалов различные виды полимеров и углеродных нанотрубок.

Важно! Когда-то кристаллы полупроводников располагали в металлических отсеках в виде шляп с тремя выводами. Такое строение было характерно для точечных элементов транзисторного типа

Различные виды рассматриваемых радиоэлементов

На сегодняшний день строение практически всех плоских и кремниевых транзисторов основано на легированном монокристалле. Они находятся в пластмассовых, металлических или стеклянных корпусах. У многих из них есть выступающие выводы, позволяющие отвести тепло при сильном нагреве от электричества.

Кремниевый биполярный транзистор 2SA1286

Выводы современных транзисторов расположены, как правило, в один ряд. Это удобно, так как плату собирают роботы, и это экономит ресурсы. Выводные контакты также не маркируются на корпусе элемента. Вид вывода определяют по инструкции эксплуатации или после тестовых замеров.

Важно! Для транзисторов применяют сплавы полупроводникового типа с разным строением: PNP или NPN. Их различие заключается в разных знаках напряженности на выводах

Если брать схематически, то описать этот радиоэлемент можно так: два полупроводника, разделенные дополнительным слоем, который управляет проводимостью триода.

Схема устройства полевых радиоэлементов

Принцип работы трназистора

• 1. Эммитер должен иметь более положительный потенциал, чем коллектор, для n-p-n-транзистора потенциал коллектора должен быть выше.
• 2. Цепи база – эммитер и база – коллектор работают как диоды. Обычно диод база – коллектор открыт, а диод база – эммитер смещён в обратном направлении, то есть приложенное напряжение препятствует протеканию через него тока.
• 3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов и напряжений. В случае превышения значений транзистор выходит из строя.
• 4. В случае соблюдений правил 1 – 3 ток протекающий через коллектор I_К прямо пропорционален току базы I_Б и соблюдается следующее соотношение:

данное правило определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Из правила 2 следует, что между базой и эммитером напряжение не должно превышать 0,6…0,8 В (падение напряжения на диоде), иначе возникает очень большой ток.

Учитывая выше изложенные правила можно понять, как с помощью небольшого тока создать ток большей величины. В случае, когда контакт разомкнут через базу ток не течёт и согласно правилу 4 отсутствует коллекторный ток, следовательно, лампочка не светится. Как только замыкается контакт напряжение между базой и эммитером составит 0,6…0,8 В. Падение напряжения на сопротивлении базы R_б составит примерно 9,3 В, а ток, протекающий через базу 9,3 мА. Казалось бы, с учётом правила 4, что через лампочку должен протекать ток порядка 930 мА (примем значение h_21Э = 100), но это не так. Как говорилось ранее, правило 4 действует лишь с учётом правил 1 – 3. В нашем случае, когда ток через лампочку, а следовательно и ток коллектора достигнет значения 0,1 А падение напряжения на лампочке будет равно 10 В. Далее, согласно правила 1, роста тока не будет, так как потенциал коллектора и эммитера сравняется (в реальности падение напряжения на лампочке никогда не будет равно напряжению питания, потому что на транзисторе будет падение напряжения равное напряжению насыщения транзистора). Когда напряжение на коллекторе будет приближаться к напряжению на эммитере, транзистор переходит в режим насыщения и изменение напряжения на коллекторе прекращаются.

Подпишись на RSS!

Подпишись на RSS и получай обновления блога!

Получать обновления по электронной почте:

• • Программа взаимодействия INA226 с микроконтроллером PIC
    29 июля 2020
  • Миллиомметр цифровой на базе модулей ADS1115 и TM1637
    22 июля 2020
  • Транзисторный ключ с ограничением тока
    3 июня 2020
  • Зарядное для аккумуляторов шуруповерта на базе XL4015
    5 апреля 2020
  • Зарядное для авто со стабилизацией тока на L200
    19 марта 2020

• • Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов — 237 465 просмотров
  • Стабилизатор тока на LM317 — 173 624 просмотров
  • Стабилизатор напряжения на КР142ЕН12А — 124 990 просмотров
  • Реверсирование электродвигателей — 101 809 просмотров
  • Зарядное для аккумуляторов шуруповерта — 98 488 просмотров
  • Карта сайта — 96 137 просмотров
  • Зарядное для шуруповерта — 88 478 просмотров
  • Самодельный сварочный аппарат — 87 868 просмотров
  • Схема транзистора КТ827 — 82 524 просмотров
  • Регулируемый стабилизатор тока — 81 511 просмотров

• • DC-DC (4)
  • Автомат откачки воды из дренажного колодца (5)
  • Автоматика (34)
  • Автомобиль (3)
  • Антенны (2)
  • Ассемблер для PIC16 (3)
  • Блоки питания (30)
  • Бурение скважин (6)
  • Быт (11)
  • Генераторы (1)
  • Генераторы сигналов (8)
  • Датчики (4)
  • Двигатели (7)
  • Для сада-огорода (11)
  • Зарядные (17)
  • Защита радиоаппаратуры (8)
  • Зимний водопровод для бани (2)
  • Измерения (35)
  • Импульсные блоки питания (2)
  • Индикаторы (6)
  • Индикация (10)
  • Как говаривал мой дед … (1)
  • Коммутаторы (6)
  • Логические схемы (1)
  • Обратная связь (1)
  • Освещение (3)
  • Программирование для начинающих (17)
  • Программы (1)
  • Работы посетителей (7)
  • Радиопередатчики (2)
  • Радиостанции (1)
  • Регуляторы (5)
  • Ремонт (1)
  • Самоделки (12)
  • Самодельная мобильная пилорама (3)
  • Самодельный водопровод (7)
  • Самостоятельные расчеты (37)
  • Сварка (1)
  • Сигнализаторы (5)
  • Справочник (13)
  • Стабилизаторы (16)
  • Строительство (2)
  • Таймеры (4)
  • Термометры, термостаты (27)
  • Технологии (21)
  • УНЧ (2)
  • Формирователи сигналов (1)
  • Электричество (4)
  • Это пригодится (12)

• Архивы
  Выберите месяц Июль 2020  (2) Июнь 2020  (1) Апрель 2020  (1) Март 2020  (3) Февраль 2020  (2) Декабрь 2019  (2) Октябрь 2019  (3) Сентябрь 2019  (3) Август 2019  (4) Июнь 2019  (4) Февраль 2019  (2) Январь 2019  (2) Декабрь 2018  (2) Ноябрь 2018  (2) Октябрь 2018  (3) Сентябрь 2018  (2) Август 2018  (3) Июль 2018  (2) Апрель 2018  (2) Март 2018  (1) Февраль 2018  (2) Январь 2018  (1) Декабрь 2017  (2) Ноябрь 2017  (2) Октябрь 2017  (2) Сентябрь 2017  (4) Август 2017  (5) Июль 2017  (1) Июнь 2017  (3) Май 2017  (1) Апрель 2017  (6) Февраль 2017  (2) Январь 2017  (2) Декабрь 2016  (3) Октябрь 2016  (1) Сентябрь 2016  (3) Август 2016  (1) Июль 2016  (9) Июнь 2016  (3) Апрель 2016  (5) Март 2016  (1) Февраль 2016  (3) Январь 2016  (3) Декабрь 2015  (3) Ноябрь 2015  (4) Октябрь 2015  (6) Сентябрь 2015  (5) Август 2015  (1) Июль 2015  (1) Июнь 2015  (3) Май 2015  (3) Апрель 2015  (3) Март 2015  (2) Январь 2015  (4) Декабрь 2014  (9) Ноябрь 2014  (4) Октябрь 2014  (4) Сентябрь 2014  (7) Август 2014  (3) Июль 2014  (2) Июнь 2014  (6) Май 2014  (4) Апрель 2014  (2) Март 2014  (2) Февраль 2014  (5) Январь 2014  (4) Декабрь 2013  (7) Ноябрь 2013  (6) Октябрь 2013  (7) Сентябрь 2013  (8) Август 2013  (2) Июль 2013  (1) Июнь 2013  (2) Май 2013  (4) Апрель 2013  (7) Март 2013  (7) Февраль 2013  (7) Январь 2013  (11) Декабрь 2012  (7) Ноябрь 2012  (5) Октябрь 2012  (2) Сентябрь 2012  (10) Август 2012  (14) Июль 2012  (5) Июнь 2012  (21) Май 2012  (13) Апрель 2012  (4) Февраль 2012  (6) Январь 2012  (6) Декабрь 2011  (2) Ноябрь 2011  (9) Октябрь 2011  (14) Сентябрь 2011  (22) Август 2011  (1) Июль 2011  (5)

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции

Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки

Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Режимы работы и схемы включения транзистора

На каждый р-п-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки, режим насыщения, активный режим и инверсный режим.

Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный – обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному – обратное (a_ст min; используется очень редко).

В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.

Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).

При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками и_вх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а, б) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в) создадут, соответственно, на резисторах R_К и R_Э приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами и_вых.

а б в

Рисунок 1.26 – Схемы включения транзистора

При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.

Потери на проводимость полевого транзисторного ключа

Оценим потери на силовом ключе в открытом состоянии (потери на проводимость). Все эти потери рассеиваются силовым ключом в виде тепловой мощности. В справочнике по мощному полевому транзистору Вы найдете сопротивление сток — исток в открытом состоянии (RDS(ON)). В комментарии к этой величине приводится режим измерения, а именно управляющее напряжение и ток стока. Мы всегда будем выбирать управляющее напряжение выше или равное приведенному в режиме измерения. Так что потери можно оценить сверху по формуле:

[Потери на проводимость, Вт] = [Время в открытом состоянии, с] / ([Время в открытом состоянии, с] + [Время в закрытом состоянии, с]) * [Сопротивление сток — исток в открытом состоянии, Ом] * [Сила тока в открытом состоянии, А] ^ 2

Обратите внимание, в формуле используется сила тока в открытом состоянии, а не средняя сила тока. Так как зависимость мощности от силы тока квадратичная, то простое усреднение неприменимо

Полученная величина в сумме с потерями на переключение не должна превышать максимально допустимую рассеиваемую мощность полевого транзистора с учетом системы его охлаждения. В справочниках приводится максимальная мощность при условии идеального охлаждения. Чтобы точно оценить достаточность мощности силового транзистора, нужно рассчитать потери на переключение. Об этом будет отдельная статья. Подпишитесь на новости, чтобы не пропустить.

Кроме того, нам важно знать максимально допустимый импульсный ток и максимально допустимую периодически выделяемую энергию. Действительно, если у Вас транзистор открывается на очень короткое время, то средняя рассеиваемая мощность будет невелика, но импульсный ток может превысить допустимые значения

Если время в открытом состоянии среднее, то и мощность и максимально допустимый импульсный ток могут быть в норме, но может зашкалить импульсно выделенная энергия.

[Выделенная энергия, Дж] = [Время в открытом состоянии, с] * [Сопротивление сток — исток в открытом состоянии, Ом] * [Сила тока в открытом состоянии, А] ^ 2

Вообще эти расчеты довольно замысловатые. Я обычно, если нет каких-то особых требований по габаритам устройства и применяемым элементам, применяю простое соображение. Средний ток не должен превышать максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии, а максимально возможный импульсный ток не должен превышать удвоенную эту величину.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

Я собрал уже вторую схему Алмаг 1. При включении выходные ирф640 мгновенно сильно нагреваются под нагрузкой катушек магнитов. Без катушек нагрева нет, а в телефоне поставленном вместо магнита слышен низкочастотный треск работающего генератора. В деталях и монтаже брака не обнаружил. Пожалуйста объясните в чем может быть причина и как устранить устранить нагрев. Первый вариан Читать ответ…

Еще статьи

Импульсный источник питания. Своими руками. Самодельный. Сделать. Лабо…
Схема импульсного блока питания. Расчет на разные напряжения и токи….

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму…
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи….

Плавная регулировка, изменение яркости свечения светодиодов. Регулятор…
Плавное управление яркостью свечения светодиодов. Схема устройства с питанием ка…

Преобразователь однофазного в трехфазное. Конвертер одной фазы в три. …
Схема преобразователя однофазного напряжения в трехфазное….

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида…
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при…

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения, источник питания

Вы…
Как выбрать частоту работы контроллера и скважность для пуш-пульного преобразова..

Оптроны, оптопары тиристорные, динисторные. MOC3061, MOC3062, MOC3063….
Описание и параметры MOC3061, MOC3062, MOC3063. Применение в тиристорных схемах …

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания…
Как сконструировать обратноходовый импульсный преобразователь. Как выбрать часто…

Изготовление ключа на полевом транзисторе

Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:

Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:

В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Падение напряжение на транзисторе при этом составило 0,07 вольта, что в данном случае совсем не критично. Нагрева транзистора на наблюдается даже при постоянной работе схемы. Успешной сборки!

Скачать плату и схему: