Биполярный транзистор. Работа в режиме ключа
Транзистор в режиме ключа? Какого еще ключа? Такого?
А может быть такого?
Ключ от сундучка более-менее похож на правду, так как запирает и отпирает сундучок, но все равно далек от истины.
Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и... пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.
Нажали на черную большую пипочку - ток побежал, отжали - получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение ;-) Нажали на пипку - сигнал есть, отжали пипку - сигнала нет.
Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между "включено" и "выключено" мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.
Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:
Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто ;-) Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2--->лампочка--->коллектор--->эмиттер--->к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор "R" здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.
Но все ли так просто, как кажется на первый взгляд?
Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью "открыть" транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:
1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.
2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Вольта. Такой режим называется "режимом насыщения".
Этот рисунок - воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.
Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.
А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока ;-) Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:
Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже
В реальности вывод базы является своего рода маленькой антеннкой, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится! Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере ;-)
И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале - да. Но есть более хитрое решение ;-) Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.
Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:
Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.
Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ<0,6 Вольт или чтобы ток базы IБ = 0. Этот способ чаще всего используется в МК и других логических схемах.
Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме "отсечки".
Ну а теперь долгожданная практика ;-)
Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б
Он у нас структуры NPN
А вот и его цоколевка
Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.
Будем собирать всю эту конструкцию вот по этой схеме:
Для начала найдем лампочку. Порылся в загашнике и нашел лампочку на 6 Вольт:
Вот так она светит при своих номинальных 6 Вольтах:
А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее цепануть напрямую к блоку питания.
0,22 Ампера.
Чтобы не спалить эмиттерный переход чрезвычайно большим током, я поставил туда базовый резистор на 150 Ом. Ниже расскажу, как я его рассчитал. Bat1 - это у нас будет вот этот блок питания:
А Bat2 - вот этот:
Вся схема в сборе будет выглядеть примерно вот так:
Синие провода - это с Bat2, а красный и черно-красный - с Bat1
Вставим амперметр в цепь базы для наблюдения результатов.
На деле все это будет выглядеть вот так:
Ну что, поехали! Добиваемся, чтобы через базовую цепь шел ток силой в 10 миллиАмпер, покрутив ручку на черном блоке питания Bat1
Лампочка засветилась, но тускло.
Оно и понятно, лампочка кушает всего-то 120 миллиАмпер
А давайте еще добавим напряжение на Bat1, увеличивая при этом силу тока через базу. Теперь сила тока через базу уже будет 15 миллиАмпер:
Смотрим, сколько при этом кушает наша лампочка:
150 миллиАмпер.
Снова крутим крутилку Bat1, увеличивая напряжение, а следовательно, и силу тока:
Смотрим на показания Bat2:
210 миллиАмпер.
Хм, мы на грани того, что сопротивления уже почти нет между эмиттером и коллектором, потому что когда мы цепляли лампочку напрямую от Bat2, она у нас кушала 220 миллиАмпер.
Ну давайте еще добавим напряжение на Bat1
Cмотрим на показания Bat2:
Опа на! Можно сказать, что у нас схема превратилась в эту схемку ;-)
А что будет, если мы еще больше прибавим силу тока на базе? Неужели у нас лампочка будет гореть еще ярче? Прибавляем до 30 миллиАмпер.
Барабанная дробь...
Побрейтесь! ))
Кстати, значение базового тока, после которого уже транзистор полностью открывается, называется границей насыщения. В моем случае граница насыщения наблюдается при токе чуть больше 23 миллиАмпер.
Ну что можно сказать из опыта? В нашей схеме базовый ток значением в 23-24 миллиАмпера полностью открыл транзистор, то есть сделал так, что сопротивление между эмиттером и коллектором стало почти равным нулю. Дальнейшее увеличение базового тока ни к чему не привело. Транзистор достиг насыщения. Он сыт этим базовым током по самое горло. Это все равно, что давить на газ в автомобиле, который не может ехать 200 км/ч. 199 может, но даже если вы давите двумя ногами на педаль газа, загнув при этом саму педаль в пол и даже проломив днище автомобиля, все равно не выжмите 200 км/ч. Что же является ограничением для лампочки, что она не может светить еще ярче? Самый что ни на есть простой закон Ома для участка цепи ;-) Чтобы в нашем случае лампочка светила еще ярче, нам можно добавить только напряжение на Bat2.
Давайте замеряем падение напряжения между коллектором и эмиттером (UКЭ), когда базовый ток IБ =30 миллиАмпер.
UКЭ=82,4 миллиВольта.
А когда я поднял базовый ток до 50 миллиАмпер, у нас UКЭ=51,7 миллиВольт.
Вывод?
Чем больше базовый ток, тем меньше падение напряжения, а следовательно и сопротивление между коллектором и эмиттером. Как нам гласит правило шунта: на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Кстати, в буржуйских даташитах UКЭ обозначается как VCEsat. "Sat" сокращенно от англ. - saturation - что значит "насыщение".
То есть, получив сопротивление между коллектором и эмиттером близко к нулю, мы можем минимизировать потери на нагрев транзистора? Да, все верно, НО... здесь есть свои подводные камни
Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=UКЭ х IН
где
P - это мощность в Ваттах
UКЭ - напряжение между коллектором и эмиттером, В
IН - сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А
Из формулы: чем меньше UКЭ , тем меньше будет греться транзистор.
Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиАмпер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:
В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК "подтягивается" к нулю еще при программировании.
Расчет резистора базы для режима насыщения
Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:
Для начала можно найти ток базы:
где
IБ - это базовый ток, в Амперах
kНАС - коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.
IK - коллекторный ток, в Амперах
β - коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите
Ну а дальше дело за малым
Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения
Воспользуемся формулами, приведенными выше:
Ток коллектора мы знаем из нашего опыта. Он равен 0,22 Ампера.
Коэффициент β мы берем из даташита самый минимальный, то есть 20.
kНАС лучше взять равным 3.
Теперь считаем:
Берем ближайший резистор из ряда на 150 Ом ;-) Вот так я подбирал резистор.
В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.
Читайте также