В імпульсних пристроях дуже часто можна зустріти транзисторні ключі. Транзисторні ключі присутні в тригерах, комутаторах, мультивібраторах, блокинг-генераторах і в інших електронних схемах . У кожній схемі транзисторний ключ виконує свою функцію, і в залежності від режиму роботи транзистора, схема ключа в цілому може змінюватися, однак основна принципова схема транзисторного ключа - наступна:

Є кілька основних режимів роботи транзисторного ключа: нормальний активний режим, режим насичення, режим відсічення і активний інверсний режим. Хоча схема транзисторного ключа - це в принципі схема транзисторного підсилювача з загальним емітером, виконуваних функцій і режимам ця схема відрізняється від типового підсилювального каскаду.

У ключовому застосуванні транзистор служить швидкодіючим ключем, і головними статичними станами є два: транзистор закритий і транзистор відкритий. Замкнений стан - стан розімкнуте, коли транзистор перебуває в режимі відсічення. Замкнутий стан - стан насичення транзистора, або близьке до насичення стан, в цьому стані транзистор відкритий. Коли транзистор перемикається з одного стану в інший, це активний режим, при якому процеси в каскаді протікають нелінійно.

Статичні стани описуються відповідно до статичними характеристиками транзистора. Характеристик дві: сімейство вихідних - залежність струму колектора від напруги колектор-емітер і сімейство вхідних - залежність струму бази від напруги база-емітер.

Для режиму відсічення характерно зміщення обох pn переходів транзистора в зворотному напрямку, причому буває глибока відсічення і неглибока відсічення. Глибока відсічення - це коли прикладена до переходів напруга в 3-5 разів перевищує порогове і має полярність зворотну робочої. В такому стані транзистор розімкнути, і струми його електродів надзвичайно малі.

При неглибокій ж відсіченні напруга, прикладена до одного з електродів, нижче, і струми електродів більше ніж при глибокої відсічення, в результаті струми вже залежать від прикладеної напруги відповідно до нижньої кривої із сімейства вихідних характеристик, цю криву так і називають «характеристика відсічення» .

Для прикладу проведемо спрощений розрахунок для ключового режиму транзистора, який буде працювати на резистивную навантаження. Транзистор буде тривалий час перебувати лише в одному з двох головних станів: повністю відкритий (насичення) або повністю закритий (відсічення).

Нехай навантаженням транзистора буде обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, опір котушки якого при номінальних 12 В становитиме 400 Ом. Зневажимо індуктивним характером обмотки реле, нехай розробники передбачать снаббер для захисту від викидів в перехідному режимі, ми ж проведемо розрахунок виходячи з того, що реле включать один раз і дуже надовго. Струм колектора знайдемо за формулою:

Ік = (Uпит-Uкенас) / Rн.

Де: Ік - постійний струм колектора; Uпит - напруга живлення (12 вольт); Uкенас - напруга насичення біполярного транзистора (0,5 вольт); Rн - опір навантаження (400 Ом).

Отримуємо Ік = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.

Для вірності візьмемо транзистор з запасом за граничним току і за граничним напругою. Підійде BD139 в корпусі SOT-32. Цей транзистор має параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкемакс = 80 В. Буде хороший запас.

Щоб забезпечити струм колектора в 28,7 мА, необхідно забезпечити відповідний струм бази. Струм бази визначається формулою: Іб = Ік / h21е, де h21е - статичний коефіцієнт передачі по току.

Сучасні мультиметри дозволяють вимірювати цей параметр, і в нашому випадку він склав 50. Значить Іб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Якщо значення коефіцієнта h21е невідомо, можна для надійності взяти мінімальну з документації на даний транзистор.

Щоб потрібно визначити необхідне значення резистора бази. Напруга насичення база-емітер становить 1 вольт. Значить, якщо управління буде здійснюватися сигналом з виходу логічного мікросхеми, напруга якого 5 В, то для забезпечення необхідного струму бази в 574 мкА, при падінні на переході 1 В, отримаємо:

R1 = (Uвх-Uбенас) / Іб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом

Виберемо в меншу сторону (щоб струму точно вистачило) зі стандартного ряду резистор 6,8 кОм.

АЛЕ, щоб транзистор переключався швидше і щоб спрацьовування було надійним, будемо застосовувати додатковий резистор R2 між базою і емітером, а на ньому буде падати деяка потужність, значить необхідно знизити опір резистора R1. Приймемо R2 = 6,8 кОм і скорегуємо значення R1:

R1 = (Uвх-Uбенас) / (I б + I (через резистор R2) = (Uвх-Uбенас) / (I б + Uбенас / R2)

R1 = (5-1) / (0,000574 + 1/6800) = 5547 Ом.

Нехай буде R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.

Порахуємо втрати на ключі: P = Ік * Uкенас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радіатор транзистору не буде потрібно.

Про яку навантаженні йдеться? Так про будь - релюшки, лампочки, соленоїди, двигуни, відразу кілька світлодіодів або надпотужний силовий світлодіод-прожектор. Коротше, все що споживає більше 15мА і / або вимагає напруги харчування більше 5 вольт.

Ось взяти, наприклад, реле. Нехай це буде BS-115C. Струм обмотки порядку 80мА, напруга обмотки 12 вольт. Максимальна напруга контактів 250В і 10А.

Підключення реле до мікроконтролеру це завдання яка виникала практично у кожного. Одна проблема - мікроконтролер не може забезпечити потужність необхідну для нормальної роботи котушки. Максимальний струм який може пропустити через себе вихід контролера рідко перевищує 20 мА і це ще вважається круто - потужний вихід. Зазвичай не більше 10мА. Так напруга у нас тут не вище 5 вольт, а релюшкой потрібно цілих 12. Бувають, звичайно, реле і на п'ять вольт, але струму жеруть більше рази в два. Загалом, куди реле не цілуй - скрізь жопа. Що робити?

Перше що приходить на розум - поставити транзистор. Вірне рішення - транзистор можна підібрати на сотні міліампер, а то і на ампер. Якщо не вистачає одного транзистора, то їх можна включати каскадами, коли слабкий відкриває сильніший.

Оскільки у нас прийнято, що 1 це включено, а 0 вимкнено (це логічно, хоча і суперечить моєю давньою звичкою, яка прийшла ще з архітектури AT89C51), то 1 у нас буде подавати харчування, а 0 знімати навантаження. Візьмемо біполярний транзистор. Реле потрібно 80мА, тому шукаємо транзистор з колекторним струмом більше 80мА. В імпортних даташітах цей параметр називається I c, в наших I к. Перше що спало на думку - КТ315 - шедевральний совковий транзистор який застосовувався практично скрізь :) Оранжевенькій такої. Варто не більше одного рубля. Також прокотить КТ3107 з будь-яким буквеним індексом або імпортний BC546 (а також BC547, BC548, BC549). У транзистора, в першу чергу, треба визначити призначення висновків. Де у нього колектор, де база, а де емітер. Зробити це найкраще по даташіту або довідником. Ось, наприклад, шматок з даташіта:

Якщо дивитися на його лицьову сторону, та що з написами, і тримати ніжками вниз, то висновки, зліва направо: Емітер, Колектор, База.

Беремо транзистор і підключаємо його за такою схемою:

Колектор до навантаження, емітер, той що зі стрілочкою, на землю. А базу на вихід контролера.

Транзистор це підсилювач струму, тобто якщо ми пропустимо через ланцюг База-Емітер струм, то через ланцюг Колектор-Емітер зможе пройти струм рівний вхідному, помноженому на коефіцієнт посилення h fe.
h fe для цього транзистора складає кілька сотень. Що то близько 300, точно не пам'ятаю.

Максимальна напруга виведення мікроконтролера при подачі в порт одиниці = 5 вольт (падінням напруги в 0.7 вольт на База-емітерного переходу тут можна знехтувати). Опір в базовій ланцюга одно 10000 Ом. Значить струм, згідно із законом Ома, буде дорівнює 5/10000 = 0.0005А або 0.5мА - абсолютно незначний струм від якого контролер навіть не спітніє. А на виході в цей момент часу буде I c = I be * h fe = 0.0005 * 300 = 0.150А. 150мА більше ніж ніж 100мА, але це всього лише означає, що транзистор відкриється нарозхрист і видасть максимум що може. А значить наша релюха отримає харчування сповна.

Всі щасливі, всі задоволені? А ось немає, є тут западло. В реле ж в якості виконавчого елемента використовується котушка. А котушка має неабияку індуктивність, так що різко обірвати струм в ній неможливо. Якщо це спробувати зробити, то потенційна енергія, накопичена в електромагнітом поле, вилізе в іншому місці. При нульовому струмі обриву, цим місцем буде напруга - при різкому перериванні струму, на котушці буде потужний сплеск напруги, в сотні вольт. Якщо струм обривається механічним контактом, то буде повітряний пробою - іскра. А якщо обривати транзистором, то його просто напросто знищить.

Треба щось робити, кудись дівати енергію котушки. Не проблема, замкнм її на себе ж, поставивши діод. При нормальній роботі діод включений зустрічно напрузі і струм через нього не йде. А при виключенні напруга на індуктивності буде вже в іншу сторону і пройде через діод.

Правда ці ігри з кидками напруги гидотний чином позначаються на стабільності мережі живлення пристрою, тому має сенс біля котушок між плюсом і мінусом харчування вкрутити електролітичний конденсатор на сотню іншу микрофарад. Він прийме на себе більшу частину пульсації.

Краса! Але можна зробити ще краще - знизити споживання. У реле досить великий струм зривання з місця, а ось ток утримання якоря менше ніж раз на три. Кому як, а мене давить жаба годувати котушку більше ніж вона того заслуговує. Адже це і нагрів і енерговитрати і багато ще чого. Беремо і вставляємо в ланцюг ще і полярний конденсатор на десяток інший микрофарад з резистором. Що тепер виходить:

При відкритті транзистора конденсатор С2 ще не заряджений, а значить в момент його заряду він представляє собою майже коротке замикання і струм через котушку йде без обмежень. Недовго, але цього вистачає для зриву якоря реле з місця. Потім конденсатор зарядиться і перетвориться в обрив. А реле буде харчуватися через резистор обмежує струм. Резистор і конденсатор слід підбирати таким чином, щоб реле чітко спрацьовувало.
Після закриття транзистора конденсатор розряджається через резистор. З цього випливає зустрічне западло - якщо відразу ж спробувати реле включити, коли конденсатор ще не розрядився, то струму на ривок може і не вистачити. Так що тут треба думати з якою швидкістю у нас буде клацати реле. Кондер, звичайно, розрядиться за частки секунди, але іноді і цього багато.

Додамо ще один апгрейд.
При розмиканні реле енергія магнітного поля стравливается через діод, тільки ось при цьому в котушці продовжує текти струм, а значить вона продовжує тримати якір. Збільшується час між зняттям сигналу управління і відпадінням контактної групи. Западло. Треба зробити перешкоду протіканню струму, але таке, щоб не вбило транзистор. Застромимо стабілітрон з напругою відкривання нижче граничного напруження пробою транзистора.
З шматка даташіта видно, що максимальне напруження Колектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 становить 30 вольт. Укручуємо стабілітрон на 27 вольт - Profit!

У підсумку, ми забезпечуємо кидок напруги на котушці, але він контролліруемий і нижче критичної точки пробою. Тим самим ми значно (в рази!) Знижуємо затримку на вимикання.

Ось тепер можна досить потягнутися і почати болісно чесати ріпу на предмет того як же весь цей мотлох розмістити на друкованій платі ... Доводиться шукати компроміси і залишати тільки те, що потрібно в цій схемі. Але це вже інженерне чуття і приходить з досвідом.

Зрозуміло замість реле можна увіткнути і лампочку і соленоїд і навіть моторчик, якщо по току проходить. Реле взято як приклад. Ну і, природно, для лампочки не буде потрібно весь діод-конденсаторний обвіс.

Поки досить. Наступного разу розповім про Дарлінгтоновскіе збірки і MOSFET ключі.

Транзисторні ключі побудовані на біполярних або польових транзисторах діляться на насичені і ненасичені, а також на МДП-ключі і ключі на польових транзисторах з керуючим р-n-переходом. Все транзисторні ключі можуть працювати в двох режимах: статичному і динамічному.

На їх основі ТК базується принцип роботи тригерів, мультивибраторов, комутаторів, блокинг-генератори і багатьох інших елементів. Залежно від призначення і особливостей роботи схеми ТК можуть відрізнятися один від одного.

ТК призначений для комутації ланцюгів навантаження під впливом зовнішніх керуючих сигналів, дивись схему вище. Будь-ТК виконує функції швидкодіючого ключа і має два головних стану: розімкнуте, йому відповідає режим відсічення транзистора (VT - закритий), і замкнутий, характеризується режимом насичення або режимом, наближеному до нього. Протягом всього процесу перемикання ТК працює в активному режимі.

Розглянемо роботу ключа на основі біполярного транзистора. Якщо на базі відсутня напруга щодо емітера, транзистор закритий, струм через нього не тече, на колекторі все напруга живлення, тобто максимальний рівень сигналу.

Як тільки на базу транзистора надходить керуючий електричний сигнал, він відкривається, починає текти струм колектор-емітер і відбувається падіння напруги на внутрішньому опорі колектора, потім, напруга на колекторі, а з ним і напруга на виході схеми, знижуються до низького рівня.

Для практики зберемо просту схему транзисторного ключа на біполярному транзисторі. Використовуємо для цього біполярний транзистор КТ817, резистор в колекторної ланцюга харчування номіналом 1 кОм, а по входу опором 270 Ом.

У відкритому стані транзистора на виході схеми маємо повне напруга джерела живлення. При надходженні сигналу на керуючий вхід напруга на колекторі обмежується до мінімуму, десь 0,6 вольт.

Крім того, ТК можна реалізувати і на польових транзисторах. Принцип їх роботи майже аналогічний, але ні споживають значно менший струм управління, а крім того забезпечують гальванічну розв'язку вхідних і вихідних частин, але істотно програють в швидкодію в порівнянні з біполярними. Транзисторні ключі використовуються практично в будь-якому спектрі радіоелектронних пристроїв аналогових і цифрових комутаторах сигналів, системах автоматики і контролю, в сучасній побутовій техніці тощо

Для комутації навантажень в ланцюгах змінного струму найкраще застосовувати потужні польові транзистори. Цей клас напівпровідників представлений двома групами. До першої відносять гібриди: біполярні транзистори з ізольованим затвором - БТІЗ або. У другу, входять класичні польові (канальні) транзистори. Розглянемо в якості практичного прикладу роботу комутатора навантаження для мережі змінної напруги 220 вольт на потужному польовому VT типу КП707

Дана конструкція дозволяє гальванічно розв'язати ланцюга управління і ланцюг 220 вольт. Як розв'язки використані оптрони TLP521. Коду напруга на вхідних клемах відсутній, світлодіод оптрона не горить, вбудований транзистор оптрона закритий і не шунтує затвор потужних польових комутуючих транзисторів. Тому, на їх затворах є відкриває напругу, рівне рівню напруги стабілізації стабілітрона VD1. В цьому випадку польовики відкриті і працюють по черзі, залежно від полярності періоду змінної напруги в поточний момент часу. Допусти, на виводі 4, а на 3 - мінус. Тоді струм навантаження йде від клеми 3 до 5, через навантаження і до 6, потім через внутрішній захисний діод VT2, через відкритий VT1 до клеми 4. При зміні періоду, струм навантаження йде вже через діод транзистора VT1 і відкритий VT2. Елементи схеми R3, R3, C1 і VD1 це без трансформаторних джерело живлення. Номінал резистора R1 відповідає вхідного рівня напруги п'ять вольт і може бути змінений при необхідності. При надходження сигналу світлодіод в оптроні загоряється і шунтирует затвори обох транзисторів. На навантаження напруга не надходить.