Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Работа транзистора в ключевом режиме
Количество просмотров: 318195
Комментарии к статье: 5


Работа транзистора в ключевом режиме


Работа транзистора в ключевом режимеДля упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Входная характеристика транзистора

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β  как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

β ≥ Iк/Iб

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер - бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Рисунок 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, - обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база - эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора - надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить - просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Борис Аладышкин 

P.S. Перед установкой в схему очень часто приходится проверять транзисторы на работоспособность. О том, как правильно это делать смотрите здесь - Простая проверка транзисторов на практике.

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Характеристики биполярных транзисторов
  • Схемы включения биполярных транзисторов
  • Устройство и работа биполярного транзистора
  • Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование
  • Как проверить транзистор
  • Как подобрать аналог транзистора
  • Драйвер полевого транзистора из дискретных компонентов
  • Классификация транзисторов
  • Виды транзисторов и их применение
  • Биполярные и полевые транзисторы - в чем различие
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Транзисторы для чайников, Принцип работы транзистора, Силовая электроника, Аналоговая электроника

      Комментарии:

    #1 написал: Евгений Владимирович |

    Обычно транзисторы немного отличаются друг от друга, и для выравнивания токов  необходимы резисторы в эмиттерных цепях. Их нужно выбирать так, чтобы падение напряжения при максимальном значении тока на них было примерно 0.2В.

      Комментарии:

    #2 написал: Олег |

    Добрый день. У меня вопрос: схема с биполярным n-p-n транзистором запускается кратковременным замыканием кнопкой через резистор базы и коллектора. Выключение  схемы производится отключением питания (12 вольт DC). Нужно автоматизировать включение и отключение схемы через заданные промежутки времени, циклический таймер имеется. Вопрос в том. что включить схему просто подачей питания на схему нельзя - она не запустится, пока не замкнешь коллектор с базой. Как одновременно с подачей питания на схему запустить транзистор ? Можно ли долго 15 -20 секунд держать замкнутыми базу и коллектор через резистор ?  С уважением, Олег.

      Комментарии:

    #3 написал: Роман |

    Спасибо!
    Самое классное и доступное объяснение

      Комментарии:

    #4 написал: Михаил |

    Транзистор включается в ключевом режиме, когда его используют для управления электрическим током. В этом режиме транзистор работает как переключатель, позволяя току проходить через него или блокируя его, в зависимости от управляющего сигнала.

    Для работы транзистора в ключевом режиме необходимо подать на его базу или управляющий электрод сигнал достаточно большой амплитуды. Этот сигнал может быть постоянным или переменным, но его форма и амплитуда должны быть подобраны таким образом, чтобы транзистор переходил между состояниями насыщения и отсечки.

    В состоянии насыщения транзистор полностью пропускает ток, а в состоянии отсечки – не пропускает его вовсе. Переход между этими состояниями происходит при достижении определенного порогового напряжения на базе транзистора.

    Работа транзистора в ключевом режиме широко используется в электронике для управления нагрузками, особенно во внешних источниках питания, схемах управления моторами и светодиодами.

    Олег,
    Для автоматического включения и отключения схемы через заданные промежутки времени можно использовать реле с таймером. Реле может управлять подачей питания на схему, а таймер задает задержку времени перед включением и после выключения.

    Чтобы одновременно с подачей питания на схему запустить транзистор, можно воспользоваться электролитическим конденсатором, подключив его параллельно резистору базы транзистора. В момент включения питания конденсатор будет заряжаться, и через некоторое время напряжение на нем станет достаточным для запуска транзистора. Время зарядки конденсатора можно рассчитать по формуле t=RC, где t - время зарядки, R - сопротивление резистора, C - емкость конденсатора.

    Не рекомендуется держать базу и коллектор транзистора замкнутыми через резистор на протяжении 15-20 секунд, так как это может привести к повреждению транзистора.

      Комментарии:

    #5 написал: Эдуард |

    Транзистор в ключевом режиме используется для управления потоком тока в электрической цепи. Ключевой режим - это режим работы транзистора, при котором он находится либо в полностью открытом, либо в полностью закрытом состоянии.

    В ключевом режиме транзистор может быть использован в качестве переключателя или усилителя. Как переключатель, транзистор может быть использован для открытия или закрытия цепи, что позволяет контролировать поток тока. Как усилитель, транзистор может увеличить мощность сигнала в электрической цепи.

    Одно из наиболее распространенных применений транзистора в ключевом режиме - это в качестве элемента управления электронными устройствами, такими как источники питания, светодиоды, моторы, генераторы, и т.д. В таких устройствах транзистор используется для контроля потока тока или напряжения через электрическую цепь.

    Также транзисторы в ключевом режиме широко применяются в схемах электронных переключателей, блоков питания, импульсных источников питания, частотных преобразователей, усилителей мощности и других электронных устройствах.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.